基于μC/OS—II的兩輪平衡車

黃忠

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是嵌入式的熱門(mén)話題，其早期歷史可追溯至1992年美國(guó)嵌入式系統(tǒng)專家Jean J.Labrosse在《嵌入式系統(tǒng)編程》中的一篇連載文章。

隨著嵌入式的發(fā)展，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的發(fā)展日新月異。而μC/OS-II仍然是其中的佼佼者。究其原因無(wú)非是因?yàn)樗鼘ｉT(mén)為計(jì)算機(jī)的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)，更加符合應(yīng)用需求。同時(shí)μC/OS-II執(zhí)行效率高、占用空間小（最小內(nèi)核可編譯至 2KB）、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。搶先于其他實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II 已經(jīng)移植到了幾乎所有知名的CPU 上，提前搶占了用戶市場(chǎng)。

兩輪電動(dòng)平衡車，又被稱為體感車、思維車等。其運(yùn)作原理主要是建立在一種被稱為“動(dòng)態(tài)穩(wěn)定”（Dynamic Stabilization）的基本原理上。是現(xiàn)代人用來(lái)作為代步工具、休閑娛樂(lè)的一種新型的綠色環(huán)保的產(chǎn)物。它與電動(dòng)自行車和摩托車車輪前后排列方式不同，而是采用兩輪并排固定的方式，這是一種獨(dú)特的平衡設(shè)計(jì)方案。同時(shí)蓄電池供電，對(duì)環(huán)境完全無(wú)污染，絕對(duì)綠色環(huán)保，并可以反復(fù)充電使用。而且電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高，噪聲低效率高，因此既降低了噪聲污染，也節(jié)約了能源。無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，加上單片機(jī)控制，姿態(tài)傳感器采集角速度和角度信號(hào)，共同協(xié)調(diào)控制車體的平衡，僅僅依靠人體重心的改變便可以 實(shí)現(xiàn)車輛的啟動(dòng)、加速、減速、停止等動(dòng)作。綜上，因?yàn)轶w積小，攜帶方便，造價(jià)低，適合在小空間范圍內(nèi)使用，無(wú)剎車系統(tǒng)，控制極其方便等特點(diǎn)，兩輪電動(dòng)平衡車一經(jīng)發(fā)布便受到了社會(huì)上的極大關(guān)注。

主要的技術(shù)難度在于車輛本身的自動(dòng)平衡能力。以內(nèi)置的精密固態(tài)陀螺儀（Solid-StateGyroscopes）來(lái)判斷車身所處的姿勢(shì)狀態(tài)，透過(guò)精密且高速的中央微處理器計(jì)算出適當(dāng)?shù)闹噶詈螅?qū)動(dòng)馬達(dá)來(lái)做到平衡的效果。

由于平衡車采用的傳感器及控制算法是大學(xué)生競(jìng)賽中常用的模塊，所以兩輪平衡車成為了大學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的入門(mén)以及PID控制算法的不二選擇。網(wǎng)上也有許多相關(guān)的開(kāi)源資料。

不過(guò)就目前而言暫時(shí)未曾發(fā)現(xiàn)有將μC/OS-II和兩輪平衡車結(jié)合在一起的開(kāi)源資料如今μC/OS-II作為開(kāi)源的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要是用于飛控上，主要原因是四軸飛行器對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性有一定的要求。而兩輪平衡車在大學(xué)里主要是作為PID及單片機(jī)運(yùn)用的入門(mén)學(xué)習(xí)套件，很少有人在小車平衡之后進(jìn)行復(fù)雜的開(kāi)發(fā)。而μC/OS-II作為嵌入式的主流開(kāi)源系統(tǒng)用在單一的平衡車上又顯得大材小用。這大概是沒(méi)有相關(guān)資料的主要原因了。不過(guò)，相對(duì)來(lái)說(shuō)如果把μC/OS-II加到兩輪平衡車的控制程序中可以大幅度的增加代碼的可靠性。

平衡車的主要控制思路涉及到三個(gè)PID環(huán)，分別是角度環(huán)、速度環(huán)、轉(zhuǎn)向環(huán)。角度環(huán)一般又叫做直立環(huán)，但理解為角度環(huán)更容易和反饋量結(jié)合起來(lái)。角度環(huán)通過(guò)陀螺儀得到車架的姿態(tài)角度，通過(guò)當(dāng)前角度與目標(biāo)角度比對(duì)的差值進(jìn)行一定的計(jì)算控制輪子，以保證車架維持在目標(biāo)角度附近。總結(jié)一句話來(lái)說(shuō)就是直立環(huán)保證車架站起來(lái)并且穩(wěn)住；速度環(huán)是直立環(huán)的輔助調(diào)節(jié)，直立環(huán)能夠保證車架直立，但是不能保證車直立的速度為零，速度環(huán)就可以保證車架保持直立的同時(shí)控制此時(shí)的速度；轉(zhuǎn)向環(huán)，控制車架的方向。平衡車顧名思義平衡是最重要的，即角度環(huán)是核心，其它兩個(gè)是輔助。具體的PID調(diào)試網(wǎng)上有很多前人的經(jīng)驗(yàn)，在這里就不贅述了。

μC/OS-II是最常用的“嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)”，不少人說(shuō)無(wú)非就是一個(gè)最高優(yōu)先級(jí)始終運(yùn)行，并非真正的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。事實(shí)上一般來(lái)說(shuō)，“實(shí)時(shí)”一方面指的是系統(tǒng)（如中斷，任務(wù)等）響應(yīng)時(shí)間短，另一方面指的是系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間確定（常數(shù)）。 uCOS在這兩方面的指標(biāo)均不錯(cuò)。說(shuō)是“嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)”絕對(duì)名不虛傳。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的概念首先是前后臺(tái)系統(tǒng)。后臺(tái)行為：無(wú)限循環(huán)的應(yīng)用程序，也可以叫做任務(wù)級(jí)，在平衡車系統(tǒng)中可以概括為直立。前臺(tái)行為：中斷服務(wù)程序處理異步事件，也可以叫做中斷級(jí)，是面對(duì)異常是的處理，對(duì)直立異常的處理可以放到前臺(tái)行為中。與一般的任務(wù)調(diào)度不同的是μC/OS-II有臨界區(qū)，臨界區(qū)指處理時(shí)不可分割的代碼（為了確保臨界段代碼的執(zhí)行不被中斷，在進(jìn)入臨界段之前必須關(guān)中斷，而臨界段代碼執(zhí)行完后，須馬上打開(kāi)中斷）這個(gè)是必須注意的，不然程序會(huì)很輕易的跑飛。而系統(tǒng)最重要的便是任務(wù)的調(diào)度，一個(gè)任務(wù)，即一個(gè)線程，是一個(gè)簡(jiǎn)單的程序，該程序可以認(rèn)為CPU完全只屬于該程序自己，每個(gè)任務(wù)都被賦予一定的優(yōu)先級(jí)，有自己的一套CPU寄存器和棧空間。每個(gè)任務(wù)都是無(wú)線循環(huán)的，都可能處于以下5種狀態(tài)之一休眠態(tài)，就緒態(tài)，運(yùn)行態(tài)，掛起態(tài)，被中斷態(tài)。在控制系統(tǒng)中不可避免的是任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。任務(wù)越重要，賦予的優(yōu)先級(jí)應(yīng)越高。就大多數(shù)內(nèi)核而言，每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)是由用戶決定的。

將不同的任務(wù)賦予不同的優(yōu)先級(jí)，μC/OS-II擁有256個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)最低優(yōu)先級(jí)兩個(gè)任務(wù)用作系統(tǒng)任務(wù)，其他的都是可以自由運(yùn)用的。不過(guò)一般來(lái)說(shuō)，不會(huì)把這些任務(wù)數(shù)設(shè)定的太大，每一個(gè)人物在系統(tǒng)初始化的時(shí)候，都需求分配一塊內(nèi)存作為任務(wù)的控制塊。把最大任務(wù)書(shū)設(shè)定的太大，要占用許多的ram空間。設(shè)定ucos任務(wù)數(shù)的原則應(yīng)該是夠用就好。

優(yōu)先級(jí)越高，越容易搶占。我們可以將直立環(huán)的優(yōu)先級(jí)放到較高的位置，速度環(huán)和轉(zhuǎn)向環(huán)放到較為靠近的優(yōu)先級(jí)。而類似LCD顯示之類的任務(wù)則放到優(yōu)先級(jí)較低的位置，這樣平衡車的控制系統(tǒng)就能穩(wěn)定運(yùn)行了。