摘 要： 介紹了兩輪自平衡小車控制系統的設計與實現，系統以飛思卡爾公司的16位微控制器MC9S12XS128MAL作為核心控制單元，利用加速度傳感器MMA7361測量重力加速度的分量，即小車的實時傾角，以及利用陀螺儀ENC-03MB測量小車的實時角速度，并利用光電編碼器采集小車的前進速度，實現了小車的平衡和速度控制。在小車可以保持兩輪自平衡前提下，采用攝像頭CCD-TSL1401作為路徑識別傳感器，實時采集賽道信息，并通過左右輪差速控制轉彎，使小車始終沿著賽道中線運行。實驗表明，該控制系統能較好地控制小車平衡快速地跟隨跑道運行，具有一定的實用性。
關鍵詞： 控制；自平衡；實時性
近年來，隨著經濟的不斷發展和城市人口的日益增長，城市交通阻塞以及耗能、污染問題成為了一個困擾人們的心病。新型交通工具的誕生顯得尤為重要，兩輪自平衡小車應運而生，其以行走靈活、便利、節能等特點得到了很大的發展。但是，昂貴的成本還是令人望而止步，成為它暫時無法廣泛推廣的一個重要原因。因此，開展對兩輪自平衡車的深入研究，不僅對改善平衡車的性價比有著重要意義，同時也對提高我國在該領域的科研水平、擴展機器人的應用背景等具有重要的理論及現實意義。全國大學生飛思卡爾智能車競賽與時俱進，第七屆電磁組小車首次采用了兩輪小車，模擬兩輪自平衡電動智能車的運行機理。在此基礎上，第八屆光電組小車再次采用兩輪小車作為控制系統的載體。小車設計內容涵蓋了控制、模式識別、傳感技術、汽車電子、電氣、計算機、機械及能源等多個學科的知識。
1 小車控制系統總體方案
小車以16位單片機MC9S12XS128MAL作為中央控制單元，用陀螺儀和加速度傳感器分別檢測小車的加速度和傾斜角度[1]，以線性CCD采集小車行走時的賽道信息，最終通過三者的數據融合，作為直流電機的輸入量，從而驅動直流電機的差速運轉，實現小車的自動循軌功能。同時，為了更方便、及時地觀察小車行走時數據的變化，并且對數據作出正確的處理，本系統調試時需要無線模塊和上位機的配合。小車控制系統總體架構如圖1所示。
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2 小車控制系統自平衡原理
兩輪小車能夠實現自平衡功能，并且在受到一定外力的干擾下，仍能保持直立狀態，是小車可以沿著賽道自動循線行走的先決條件。為了更好地控制小車的行走方式，得到最優的行走路徑，需要對小車分模塊分析與控制。
本控制系統維持小車直立和運行的動力都來自小車的兩個輪子，輪子轉動由兩個直流電機驅動。小車作為一個控制對象，它的控制輸入量是兩個電機的轉動速度。小車運動控制可以分解成以下3個基本控制任務。
?。?）小車平衡控制：通過控制兩個電機正反方向運動保持小車直立平衡狀態；
（2）小車速度控制：通過調節小車的傾斜角度來實現小車速度控制，本質上是通過控制電機的轉速來實現小車速度的控制。
（3）小車方向控制：通過控制兩個電機之間的轉動差速實現小車轉向控制。
2.1 小車平衡控制
要想實現小車的平衡控制，需要采取負反饋控制方式[2]。當小車偏離平衡點時，通過控制電機驅動電機實現加、減速，從而抵消小車傾斜的趨勢，便可以保持車體平衡。即當小車有向前傾的趨勢時，可以使電機正向加速，給小車一個向前的加速度，在回復力和阻尼力的作用下，小車不至于向前傾倒；當小車有向后傾的趨勢時，可以使小車反向加速，給小車一個向后的加速度，從而不會讓小車向后傾倒，如圖2所示。
從上述的定性分析可知，在運動過程中小車會不斷地在平衡點附近來回擺動，如果控制不當，來回擺動的幅度會很大。顯然，這樣的控制不能滿足兩輪小車的實際要求，小車更無法按照賽道快速運行。為使小車可以在平衡點附近很好地保持平衡，需要對小車的加速度等進行嚴格地定量分析和計算。
直立著的小車能簡化成放置在可以左右移動平臺上的倒立著的單擺[3]。從圖3可知，小車在偏離平衡位置時無法在不受外力的情況下穩定在平衡位置，是因為小車受到的回復力F=mgsinθ與小車位移偏離的方向相同，這樣會加速使小車向偏離平衡的位置倒下。要想小車可以穩定在平衡位置，必須給小車額外增加一個和回復力相反方向的力。如果產生一個與小車偏離方向相同的加速度a，使小車受到額外的力F額外=-macosθ，此時小車所受到的合力為F合=mgsinθ-macosθ。只要F合<0，即F合的方向與小車偏離平衡位置的方向相反，小車就擁有了回復平衡位置的趨勢，進而在空氣阻力以及小車機械阻力的作用下，可以在一個平衡點穩定下來。
2.2 小車速度控制
兩輪小車速度控制相對于4輪小車要復雜得多，因為在改變小車速度時，還需要保證小車可以實現平衡控制[4]。在保持小車平衡的前提下，采取改變小車傾角的方式來改變小車的速度。在一定范圍內，當小車向前傾的角度越大時，小車前進的速度越大；當小車向后傾的角度越大時，小車前進的速度越小。
即使小車在直立控制調節下已經能夠保持平衡，但由于安裝誤差的存在，傳感器測量的角度與小車實際角度存在偏差，因此小車實際會在重力的作用下，朝傾斜的方向加速前進。故需要外加速度負反饋以控制小車穩定在平衡位置。速度控制的任務主要有以下3個。
（1）小車速度的測量；
（2）通過小車直立控制實現小車傾角的改變；
?。?）根據速度誤差控制小車傾角。
小車速度的測量可以通過安裝在電機輸出軸上的光電編碼器來實現。本系統采用的是100線的編碼器，即編碼器上面的齒輪轉一圈，編碼器可以輸出100個脈沖。再利用單片機具有輸入捕捉功能的引腳PT7對該脈沖進行采樣。在固定時間內，輸出脈沖越多，小車的速度就越快，這樣就可以測量出小車的速度。
小車傾角的控制所示系統實現。從小車直立控制算法中可知，小車的傾斜角度與加速度計Z軸測量輸出的角度成比例線性關系[5]。因此，設置一個傾角給定值，小車的傾角給定值與重力加速度Z軸角度相減，便可以最終決定小車的傾角，再通過誤差的比例-積分控制使角度自動維持在設定值附近，最后再利用角速度和角度作為輸入量，制作一個比例-積分控制器，從而驅動電機維持車模保持給定的傾角。
理論上，當小車向前傾角為45°時，速度為2 m/s[2]。但是在實際控制中，由于小車機械傳動方面的阻尼力以及輪子的摩擦力等因素的影響，小車無法達到理論要求。為了解決這些干擾對小車速度的影響，需要采用速度負反饋的控制策略，形成一個閉環控制系統。
2.3 小車方向控制
為使車模沿著賽道行駛，必須檢測賽道信息。本系統采用線性攝像頭CCD-TSL1401實時采集賽道信息。TSL1401CL是由一個128×1的光電二極管陣列、電荷放大器電路和內部的像素數據保存器組成。它保存了從起始到停止時間的所有像素。操作簡單，內部控制邏輯只需要串行輸入信號SI和時鐘CLK信號[6]。CCD檢測采集賽道信息視角圖如圖所示。
CCD提取賽道信息后，將小車速度控制信號與直立控制信號綜合，與賽道偏差檢測信號進行加和減運算，形成左右輪差動控制電壓，使得小車左右輪運行角速度不一致進而控制小車方向，如圖7所示。
3 小車控制系統算法編程
小車的程序控制幾乎都是在1 ms時間的中斷里完成，主函數只是在不斷地通過串口向上位機發送數據，進行實時監控。其中，中斷程序分別完成了小車的直立控制、速度控制和方向控制，通過全局標志量的循環計數，確定每次小車需要調用執行的程序模塊。中斷函數的實現如圖所示。
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其中，小車的直立控制是本系統設計與實現的關鍵，角度計算和轉換函數的實現如下所示。
void AngleCalculate（void）
{
float fDeltaValue；
g_fGravityAngle=（VOLTAGE_GRAVITY-
GRAVITY_OFFSET）*
GRAVITY_ANGLE_RATIO；
//加速度傳感器計算出來的角度值
g_fGravityAngle=LOW_PASS_Acce（g_fGravityAngle）；
//低通濾波
g_fGyroscopeAngleSpeed=（VOLTAGE_GYRO-
GYROSCOPE_OFFSET）*
GYROSCOPE_ANGLE_RATIO；
//陀螺儀計算出來的角速度值
g_fGyroscopeAngleSpeed=LOW_PASS_Gyro
?。╣_fGyroscopeAngleSpeed）；//低通濾波
g_fCarAngle=g_fGyroscopeAngleIntegral；
fDeltaValue=（g_fGravityAngle-g_fCarAngle）
/GRAVITY_ADJUST_TIME_CONSTANT；
//用加速度傳感器得到的角度與陀螺儀的偏差，糾正陀螺儀的輸出
g_fGyroscopeAngleIntegral+=（g_fGyroscopeAngleSpeed+
fDeltaValue）/
GYROSCOPE_ANGLE_SIGMA_FREQUENCY；
}
本文介紹了直立行走小車控制系統的實現原理，通過對小車的平衡控制、速度控制和方向控制，實現了小車的直立行走與自動循軌的功能。在本系統的設計與制作過程中，不僅是對控制系統的實現原理的分析，還是對傳感器的合理使用，都為開展對兩輪自平衡車的深入研究提供了寶貴的實踐經驗。此外，在2013年舉行的全國大學生飛思卡爾智能車競賽中，此作品參加了華南賽區比賽，并榮獲三等獎。實踐證明，本系統的設計具有一定的實際價值。
參考文獻
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[3] 周小仨.兩輪自平衡電動車核心控制算法的選擇[J].辦公自動化，2013，252（4）：56-57.
[4] 張啟秋，蔡雄友，葉駿輝，等.兩輪自平衡智能小車控制系統的設計與實現[J].五邑大學學報（自然科學版），2013，27（3）：57-60.
[5] 劉海剛，宋一標，陳恒偉，等.單軸兩輪自平衡小車姿態控制系統設計[J].工業控制計算機，2013，26（9）：16-18.
[6] 王俊，許林，岳東，等.基于CCD的兩輪自平衡智能車系統設計[J].信息技術，2013（8）：179-185.