基于 KEA128 芯片的直立電磁小車設計

潘飛

摘要：本文以全國大學生智能汽車競賽為背景，詳細介紹了以KEA128單片機作為核心的一種可以實現(xiàn)電磁導航的直立智能車控制系統(tǒng)的設計過程。從直立車的平衡原理出發(fā)，介紹了智能車設計中硬件的各個模塊以及軟件設計過程中的直立環(huán)、速度環(huán)和轉向環(huán)控制算法。最終通過不斷的試驗和測試，實現(xiàn)了車模在自平.衡狀態(tài)下穩(wěn)定快速的運行。

[關鍵詞]智能車電磁導航PID控制自平衡

智能車是現(xiàn)代汽車工業(yè)和電子計算機等科技成果相結合的產(chǎn)物，具有自動識別道路的功能從而實現(xiàn)自動駕駛。兩輪直立小車廣泛的應用于倉庫物流運輸以及巡邏的代步工具等方面。在教育部承辦的智能車直立電磁組競賽中，比賽要求車模能夠識別賽道中間通有100mA交流電的銅線所產(chǎn)生的電磁場，利用電磁感應原理通過對磁場變化的判斷進行路徑識別，并控制小車在寬度為45CM的賽道內(nèi)行駛。

1小車的整體控制策略

小車的控制模塊主要由KEA128最小系統(tǒng)、電源、電機驅動、加速度計、陀螺儀、編碼器、電磁檢測以及調試接口等模塊組成，智能車的整體結構如圖1所示。

道路識別主要通過AD采集電磁傳感模塊的信號輸出量，通過信號處理計算出位置偏差，進一步進行轉向控制。單片機最小系統(tǒng)通過采集加速度計和陀螺儀的輸出信號，通過濾波得到小車當前的姿態(tài)，計算出角度偏差。編碼器通過正交解碼獲得兩個車輪的速度信號，并計算出速度偏差。本設計中直立控制和速度控制采用的是串級PID控制，最終將各閉環(huán)的PID調節(jié)線性疊加，把控制輸出量在算法中線性疊加后，通過電機轉速的調節(jié)就可以同時實現(xiàn)平衡、速度和轉向控制三個功能。小車加入了調試接口方便了參數(shù)的調節(jié)，并且為了方便智能車運行過程中數(shù)據(jù)的采集，加入了藍牙模塊，進而可以通過上位機顯示，可視化小車運行時的數(shù)據(jù)信息。

2直立車平衡控制原理

在討論直立車的平衡原理之前，首先引入單擺模型，理想的單擺模型就是在重力場中使用細線懸掛重物，而直立的車模可以看成放置在左右移動的平臺，上的倒立的單擺。對單擺模型受力分析得：回復力為物體的重力和懸線的作用力的合力（此處忽略空氣阻力），如圖2所示。

其大小為：

F=-mgsinθ（1）

在回復力的作用下，單擺進行周期運動，由于運動過程中受到空氣的阻尼力，最終停止在豎直方向，阻尼力越大，單擺在豎直方向穩(wěn)定的就越快。

直立的車模可以看成倒立的單擺，由于車輪相對于車體做加速運動，所以以車輪作為坐標原點，在非慣性系中，物體由于慣性會受到慣性力，受力分析如圖3所示。

此時小車受到重力的分力和慣性力（此處忽略空氣阻力），合力的大小為：

F=mgsinθ-macosθ（2）

因為θ很小，有sinθ～θ和cos0～1，且假設負反饋控制是車輪加速度與角度θ成正比，系數(shù)為k，所以（2）式可以寫成：

F=mgθ-mk1θ（3）

此外，為了使倒立擺能夠在豎直方向上穩(wěn)定下來，還需要增加阻尼力（空氣的阻尼力因太小故不考慮），所以（3）式可以寫成：

F=mgθ-mk1θ-mk2θ'（4）

因此，為了使倒立擺穩(wěn)定下來，車輪的加速度為：

a=kqθ+k2O'（5）

這里的θ和θ'分別是小車的傾角和角速度，k，和k，是比例參數(shù)。其中k，決定了車模是否能夠穩(wěn)定到豎直平衡位置，它必須大于重力加速度，k2決定了車模回到豎直平衡位置的阻尼系數(shù)。

3智能車的硬件設計

硬件電路是整個智能車設計的基礎，小車的硬件主要由單片機KEA128最小系統(tǒng)，電機驅動電路，電源電路，磁性號處理電路等四部分組成。

3.1KEA128最小系統(tǒng)

KEA128系列微控制器是KineTIs EA系列32位ARMCortexMCU控制器，適用于廣泛的高可靠性工業(yè)和運輸應用。本次競賽中采用的KEA128由組委會指定使用。

3.2電機驅動電路BTN7971B

在電路驅動模塊中采用的是大電流半橋集成芯片BTN7971B構成的H橋驅動，以滿足電機對電流的需求。由于驅動芯片通過電流較大，可能會產(chǎn)生大量的熱能，進而對電路的性能造成影響，甚至會將主板燒掉，所以在設計中將驅動模塊獨立于主板之外，并且使用了747LS244作為驅動隔離，進而保護電路。

3.3電源模塊

小車的工作電源由7.2V2000mAhNi-cd電池供電，小車各個模塊所需要的工作電壓也不同，因此需要對電壓進行轉換，KEA128最小系統(tǒng)、陀螺儀和加速度傳感器使用的是3.3V的電源供電，而編碼器使用的是5V電源供電。

3.4磁性號處理

本設計選用的是10mH工字電感作為電磁感性線圈，并將電感和電容并聯(lián)構成RLC并聯(lián)諧振檢波電路，實現(xiàn)對道路中線的檢測。由于電感信號較為微弱，最終采用LM358放大波形。在電感的排放中一定要保證電感的對稱，否則會給小車運行造成很大影響。

4智能車的軟件設計

程序主要功能包括各模塊的初始化、電磁信號的采集和處理、直立控制、速度控制和轉向控制等。

4.1直立控制

小車的平衡控制是通過負反饋來實現(xiàn)的，小車的兩個輪子著地，車體只會在輪子滾動的方向，上發(fā)生傾斜，通過控制輪子轉動抵消在一個維度上的傾斜的趨勢便可以保持車體平衡了。小車的直立采用PD算法控制，直立環(huán)的PWM輸出為：PID_ANGLE.OUT=PID_ANGLE.P*（base+SpeedControlOut）+PID_

ANGLE.D*Angle_Speed（6）

其中base=Car_Angle-target，式（1）中Car_Angle是車模仰角角度，Angle_Speed是車模仰角角速度，PID_ANGLE.P是直立控制的比例參數(shù)，PID_ANGLE.D為直立控制的微分參數(shù)，PID_ANGLE.OUT即為小車在直立狀態(tài)下電機的輸出。

4.2速度控制

直立車模在速度控制過程中始終要保持車模的平衡，初始時設置一一個目標傾角，并且目標傾角不等于機械零點，當控制器檢測出角度偏差時，想要使車模保持直立就會通過控制電機輸出使小車回到目標狀態(tài)，從而車模會向前運動，當車模開始加速跑，當速度達到最大速度后，即車模受力平衡時，此時車模將勻速行駛。在車模運行過程中應該盡量把持車模的平穩(wěn)，所以速度環(huán)采用PI控制。因為速度控制從某一方面來說就是直立控制的一部分，所以本設計中在直立環(huán)中加入了速度環(huán)，采用的是串級PID控制，式（6）中的SpeedControlout就是速度環(huán)的輸出，其大小為

SpeedContro1Out=PID_SPEED.P*SpeedError+PID_SPEED.I*TotalError（7）

其中（7）式中PID_SPEED.P是速度控制的比例參數(shù)，PID_SPEED.I是速度控制中的積分參數(shù)，SpeedError速度變差，Total_Error是最近的20個偏差的總和。

直立和速度的串級PID控制框圖如圖4所示。

4.3轉向控制

車模的方向控制包括兩個參數(shù)：比例控制參數(shù)和微分控制參數(shù)。比例控制參數(shù)可以使車模恢復到正確的方向，當該參數(shù)逐步增大時，車模回復正確方向的速度加快，但是當該值增加到一定數(shù)值之后，車模方向回復由于過快，會出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，此時通過增加微分控制參數(shù)抑制這種過沖現(xiàn)象。由于今年比賽中增加了圓環(huán)部分，電感采集時使用了5個10mH工字電感，3個水平排放，2個豎直排放，最終采用差比和的方法計算偏差。轉向環(huán)的PWM輸出為：

PID_TURN.OUT=PID_TURN.P*Middle_Err+PID_TURN.D*Turn_Speed（8）

Middle_Err=（float）（Inductor__ADC[2]-Inductor_ADC[1]）/（Inductor_ADC[2]+Inductor_ADC[1]）*20（9）

其中（8）、（9）式中的PID_TURN.OUT表示轉向環(huán)輸出，PID__TURN.P和PID_TURN.D分別是轉向環(huán)控制的比例參數(shù)和微分參數(shù)，Middle_Err是采用差比和計算出來的偏差。

4.4直立、速度和轉向控制的融合

電機的轉速就是平衡控制、前行和轉向這三個分運動的線性疊加。把這三個分運動的控制輸出量在算法中線性疊加后，通過電機轉速的調節(jié)就可以同時實現(xiàn)直立、速度和轉向三個功能。左輪和右輪的電機輸出分別為：

LeftMotorOut=PID_ANGLE.OUT-PID_SPEED.OUT一PIDTURN.OUT（10）

RightMotorOut=PID_ANGLE.OUT一PID_SPEED.OUT+PID__TURN.OUT（11）

5結束語

本文對直立電磁小車的設計主要從直立車的平衡原理到硬件設計和軟件設計進行了分析，并通過查閱大量的資料和不斷的實驗，最終成功設計出了以KEA128為芯片的直立電磁小車，并最終使小車的速度穩(wěn)定的達到了2.1m/s，且在比賽中取得了較為滿意的成績。

參考文獻

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