雙輪自平衡小車控制系統的設計

張婷婷

摘?要：雙輪自平衡小車具有高適應性、高靈活性、小面積、低功耗、長續航等優點，完全符合未來智能技術的前景方向，可推廣于承載、運輸、代步等眾多民用、軍用場合，有很大的發展潛力和市場前景，具有十分重要的研究意義。為了實現平衡穩定性能的表現和速度的提升，本文以雙輪小車為主要研究對象，通過對控制系統關鍵技術的研究，實現硬件系統及軟件系統的設計，采集各種道路、傾角及速度數據，并利用單片機對有效信息進行融合，從而針對不同的工作環境，對雙輪小車的驅動電機分別進行有效的控制，使其實現穩定、適應性強的雙輪小車自平衡行駛。

關鍵詞：平衡控制;多信息融合;車身穩定

1 引言

隨著社會的發展和工作環境的復雜要求，人們對于可移動機器人的需求也越來越高，特別是在一些狹小或特定環境下的工作，需要可以實現靈活可變的移動軌跡，比如在原地零半徑回轉或者任意半徑的轉向。雙輪平衡小車是實現這類要求的一個重要載體，可以通過控制系統的運動控制，讓小車在完美融合環境約束條件下進行無人干預的自平穩運行，同時可以抵抗干擾，迅速調整恢復穩定狀態[1]。然而控制系統也有各種各樣的設計方案，不同的設計方案搭配合適的控制算法會產生出不一樣的控制效果，最直觀的是平衡穩定性能的表現和速度的提升，本文就控制系統的關鍵技術進行以下研究。

2 總體設計

雙輪自平衡小車是一個多反饋系統，通過對機械、硬件、軟件等三方面的不斷探索，本文確定了如圖1所示的系統總框圖。系統總方案以主控模塊、道路采集模塊、姿態采集模塊、速度檢測模塊、電機驅動模塊、電源管理模塊、調試模塊等七大模塊組成，從信號采集。

2.1 主控芯片

系統采用性價比高的32位MK66FN2M0VLQ18為主控芯片（以下簡稱K66），K66有GPIO、ADC模數轉換、PIT定時器、外部中斷、PWM等外設，內含六個UART模塊， 三個SPI模塊， 四個I2C模塊與一個I2S模塊，有足夠的處理能力，可完成對各傳感器采集信息的運算處理，以驅動電機模塊。

2.2 信號采集系統

道路信息采集模塊依靠的是車體前瞻上的MT9V034數字攝像頭模塊，通過二值化處理將采集的信號傳送給K66單片機的AD檢測引腳，單片機通過攝像頭來判斷道路信息和小車所在位置，并在遇到路障、彎道、顛簸、上坡、下坡、人行道標志等復雜路況時加以區別信號。

姿態采集模塊主要是對雙輪小車的車身姿態及傾角進行采集，包括兩個方面，通過陀螺儀和加速度計分別進行信號采集，將陀螺儀積分出來的角度與加速度計換算出來的角度數據經過融合得到準確的角度。

速度檢測模塊主要是對小車行走和轉向差速檢測，采用的是512線mini編碼器，可以通過分別對左右兩輪輪速的檢測，反饋給單片機進行對比，通過運算處理后以輸出PWM控制電機驅動。

2.3 電機驅動模塊

本車使用的是RS380直流電機，分別帶動左右輪轉動。電機驅動模塊是通過搭建H橋電路，采用BJT基極驅動，實現對左、右輪的直流電機進行PWM控制，根據單片機運算處理輸出信號以及時控制車輪轉速及轉差。

2.4 電源管理模塊

平衡小車的供電電源為7.2V2000mAh的直流電池，但因本控制系統的各個模塊需要的電壓各不相等，故電源管理模塊通過若干相互獨立的穩壓電源電路組成，為各個模塊提供對應合適的電源，并有利于減少模塊間的互相干擾。具體來說，需要提供5V的穩定電壓給編碼器、陀螺儀、隔離電路等，需要提供3.3V的直流穩定電壓給K66、調試模塊等，另外還要利用升壓電路輸出12V直流電壓供給電機驅動模塊。

3 控制策略設計

本車控制系統從各個模塊初始化開始進入主函數的while循環，在循環中利用K66的DMA獲取攝像頭圖像信息，并利用MPU6050中斷，為主程序提供50ms的精確定時，通過獲取加速度計及陀螺儀角度，獲取電池電壓，獲取編碼器測速，讀距離值以判斷當前狀態，若當前狀態不平衡，通過串級PID控制計算PWM值，設置PWM及電機轉動方向控制。

3.1 平衡控制

雙輪平衡小車的控制核心思想是當姿態檢測系統檢測到車身產生傾斜時，控制系統能根據測得的傾角產生一個相應的力矩，通過控制電機驅動車輪向車身要倒下的方向運動至合適距離，以保持車身的動態平衡[2]。如圖2所示。

3.2 串級控制

為保證車模的平衡控制，本車采用直立環、轉向環、速度環三環串級控制。如圖3所示。

本文將直立、方向、速度三方面控制算法進行串級控制，其中速度環PI控制作為最外環，且做為轉向環PD控制器中間環的輸入，直立環PD控制作為最內環。在串級控制中，速度還的輸出不再是PWM變化值，而是輸出小車的直立傾角變化值[3]。

在進行調試時，可從最內環直立環開始，將直立環和速度環PID均置為零，慢慢增加角速度P，直到用手作用小車時，小車有反作用力，這就是平衡力，然后稍加D參數，再調節轉向環P參數直到小車可以自主直立，再稍加D參數去除多余的車模抖動。

4 結論

本文針對雙輪自平衡小車設計的控制系統進行研究，從傳感器的選用和信息融合入手，研究改進了一些控制策略。提出三環串級控制的思想，并進行調試，該控制策略較傳統控制思想略優，大大提高了車模高速穩定性能。

參考文獻

[1]?嚴冬.基于PID控制算法的自主平衡小車的設計[J].科技視界，2018（33）：14-15.

[2]?陶言侃. 雙輪自平衡機器人設計及軌跡跟蹤控制研究[D].哈爾濱工業大學，2019.

[3]?黃強，唐杰，林立，王源明，朱群峰.雙閉環PID控制的兩輪平衡小車設計與實現[J].邵陽學院學報（自然科學版），2020，17（03）：35-39.

基金項目：滁州職業技術學院校級重點科研課題《基于多信息融合的雙輪自平衡小車控制系統的研究及應用》（項目編號：2017YJZ-2017-04）;

安徽省省級質量工程汽車檢測與維修技術教學團隊（項目編號：2018jxtd089）。