基于Arduino的平衡小車軟件設計

伍懿君

河源理工學校 廣東 河源 517000

引言

有關法律、法規要求汽車不得在人行道、廣場、公園、游樂場和大型會場等類似的場所上行駛，而步行又累時，平衡車可以為人代步。平衡車功能豐富，其主要控制功能包括：對平衡和速度的控制、轉彎、前進及后退等。而其控制部分的核心僅為兩個驅動電機，控制上述所有功能。因此，控制軟件部分的設計非常關鍵。本文的主要工作是提供了一種平衡車控制部分的軟件設計方案，具有對平衡車進行轉彎、前進及后退等功能控制的功能。在軟件的實現上，本軟件根據駕駛員身體重心改變造成的俯仰方向變化，首先利用控制算法對控制值進行計算，然后控制驅動電機驅動平衡車完成相應動作。

1 軟件設計

本文所設計的軟件整體設計流程圖如圖1所示。

圖1 軟件整體設計流程圖

本文主要介紹平衡小車加速度檢查程序，平衡 PID 控制程序的實現。

1.1 平衡小車加速度檢查程序

設計中把MPU60505模塊采集的X軸，Y軸，Z軸空間坐標采集的數據進行清零；此參數初始化操作，目的是避免數據干擾，保證系統能可靠運行[1]。進入MPU6050模塊加速度的采集，通過判斷X軸，Y軸，Z軸空間發生的變化，實現控制小車電機的運行。傳感器輸出電壓中的 模數轉換經由模塊自帶的 ATD 模塊進行。此外，還需要對加速度計和陀螺儀的輸出進行監測和轉換，進而確定陀螺儀檢測的角速度以及加速度計檢測的角度保障MPU60505模塊在X、Y、Z軸的數據等于0、0、0，在一條水平線上，實現平衡。

主函數程序定義如下：

1.2 平衡PID控制程序

PID控制器由積分單元（I）、比例單元（P）及微分單元（d）組成，其輸入為兩輪平衡車身在重力方向上的傾角e（T），輸出U（T）為電機控制，采用直流電機，調速方式為電壓調節。實際應用中的路面不是理想的光滑條件，輪子與地面之間存在靜摩擦。當控制占空比很小時，電機電樞通電，然而由于靜摩擦的作用，轉子相對不轉動[2]。因此，考慮到實際路面情況，有必要增加一個死區時間常數，用以控制平衡車的運動，以提高系統的靜態穩定性。

平衡是兩輪平衡車的基礎功能，實際應用中還需要有左右轉彎、前進及后退等動作。在這些工作過程中，會出現車體與駕駛員重心方向不在同一垂直線上的情況，控制器根據重心變化做出相應的控制。以前進運動為例，車體重心向前傾斜，傾角發生變化，控制器控制電機轉動，使轎廂向傾斜方向移動，慣性力和重力分量被轎廂加速度抵消，使小車平衡前進。這個原理用來控制小車的前進和后退。在速度控制方面，為了可靠快速地控制車速，系統以編碼器作為車速反饋環節，形成了車速控制閉環[3]。速度控制也是由PID控制器完成，以車速偏差作為控制器的輸入，其輸出為傾角，以控制車速。而速度控制和平衡控制是對立的，平衡車的基本要求是要有良好的平衡控制，速度控制會對平衡控制造成干擾，為了盡可能減少此類干擾，速度控制應盡量做到平滑。在本文設計的系統中，平衡控制周期為8ms，系統的速度控制周期設定為46ms，相對于平衡控制周期更長、更平滑，以最小化速度控制對平衡控制的干擾并保證一定的速度控制。為防止系統因調節過于頻繁而產生振蕩，采用了帶死區時間的PID算法。PID 控制程序如下：

程序流程如圖2所示：

圖2 程序流程

2 結束語

本文的主要工作是提供了一種平衡車控制部分的軟件設計方案，具有對平衡車進行轉彎、前進及后退等功能控制的功能。本設計開發使用C語言進行代碼編程，此編程工具為Arduino IDE軟件，軟件設計采用模塊化，能夠對設計的邏輯更加清楚明了，方便調試。同時，Arduino IDE軟件是方便易用的集成開發環境和調試工具，可以快速高效地進行一系列的開發。