基于线性CCD的两轮自平衡智能小车控制系统设计--《电子设计工程》2014年20期
基于线性CCD的两轮自平衡智能小车控制系统设计
【摘要】：文中设计了一种基于线性CCD图像传感器的两轮自平衡智能小车。该车通过加速度计测量小车倾角和陀螺仪测量车的倾角速度,两个数据融合得到车的姿态,进而控制其自身平衡,通过线性CCD检测赛道的信息实现行走及转向.经实验验证,该智能小车系统稳定,鲁棒性强,符合我们设计的要求。
【作者单位】：
【关键词】：
【基金】：
【分类号】：TP23;TP273【正文快照】：
近年来,随着技术的不断进步,两轮自平衡小车[1]以其结构简单、轻盈小巧、运动灵活、高效节能等特点,在许多个领域得到了较大的发展。本文设计并制作了一台两轮小车,用飞思卡尔公司生产的MK60DN512ZVLQ10单片机作为核心控制器,加速度计MMA7260和陀螺仪ENC03作为车身姿态控制测
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采用ATMEGA16单片机设计的两轮自平衡电动车
近两年来，在公共场合常常能见到一种叫做体感车（或者叫平衡电动车）的代步工具，由于其便捷灵活，使得其颇为流行，并被称为“最后一公里神器”。其运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”的基本原理上，也就是车辆本身的自动平衡能力。以内置的精密固态陀螺仪来判断车身所处的姿势状态，透过精密且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，驱动马达来做到平衡的效果。
本文采用AVR Atmega16芯片作为主控制芯片，设计制作了两轮的自平衡电动车。文中分析了测量角度和角速度传感器的选择，通过Atmega16单片机多路信号AD采集陀螺仪和加速度计的信号，经过Kalman滤波算法计算动态的角度和角速度，通过LCD1602显示角速度和角度的值、转向值。利用PID控制算法控制自平衡车的平衡状态，使车体在平衡位置稳定。利用大功率MOS管设计驱动电路，通过单片机有效地控制电机的转速、电机的转向，从而有效地控制自平衡车的前进、后退及转弯功能。我们来看看具体的设计细节吧。
随着科学技术水平的不断进步，交通工具正朝着小型、节能、环保的方向发展，“电动车”正是在这个背景下孕育而生并为人们所熟识。据不完全统计，我国的电动车保有量已超过1.2亿辆，是增长速度最快的交通工具。随着石油储量的不断减少和人们环保意识的增强，“电动车”无疑将成为未来交通工具的主力军。就目前而言，电动车的种类主要有电动自行车、电动摩托车和电动汽车。由于电动机制造水平的提高，尤其是大功率直流无刷电动机制造工艺的成熟，带动了电动自行车和电动摩托车行业的飞速发展。同时，人们也根据两轮自平衡机器人工作原理，设计出了一些新式电动车——两轮自平衡电动车。它是一种新型的交通工具，它一改电动自行车和摩托车车轮前后排列方式，而是采用两轮并排固定的方式，这种结构将给人们带来一种全新的驾驭感受。两轮自平衡电动车仅靠两个轮子支撑车体，采用蓄电池提供动力，由电动机驱动，采用微处理器、姿态感知系统、控制算法及车体机械装置共同协调控制车体的平衡，仅靠人体重心的改变便可以实现车辆的启动、加速、减速、停止等功能。两轮自平衡车主要是绿色环保。电动车使用电池作为动力能源，并可以反复充电使用，大大减少了对环境的污染。转弯半径为零，在小空间范围内可以灵活运动。无刹车系统，由CPU自动给出正反转力矩，从而达到快速稳定的刹车效果。
控制极其方便，前进后退自如。两轮自平衡电动车是一个高度不稳定的系统，其动力学方程是一多变量、严重不稳定、耦合、时变、参数不确定性的非线性高阶方程，加上运动学方程中的非完整性约束，要求完成的控制任务也具有多重性，因此，两轮自平衡电动车作为一个具体的复杂系统，给控制理论提出了很大的挑战，是检验各种控制方法处理能力的典型装置。两轮自平衡电动车作为一种研究装置，可进行不确定性系统控制、非线性系统控制、自适应控制、智能控制等研究。
2系统总体设计方案
两轮自平衡自动车采用AVR Atmega16芯片作为主控制芯片，选择外部16 MHz晶振，使用JTAG仿真器进行实时仿真与调试；采用LCD1602显示转弯角度传感器测量的动态角度和角速度，为了让调试的过程中更加直观。动态角度和角速度的测量通过陀螺仪测量角速度，三轴加速度计测量角度。由于平衡车是运动的，所以三轴加速度计测量的角度里面参杂动态角度，最终通过卡尔曼硬件融合电路精确地测量出动态的角度和角速度。转向模块采用高精度电位器，当手把向右偏转时，两轮车向右转，当手把向左偏转时两轮自平衡车向左转弯，可以实现原地转弯。电机采用直流减速电机，主要是因为直流减速电机能耗低、性能优越、减速机效率高达95%以上，而且振动小、噪音低、节能高、选用优质段钢材料，钢性铸铁箱体，齿轮表面经过高频热处理。节省空间，可靠耐用，承受过载能力高，经过精密加工，确保定位精度，扭矩大。电机驱动模块采用大功率MOS管，由于电机的功率大，需要的电流大。电机的转动通过PID控制算法，实现两轮车的自平衡状态。系统简易硬件结构框图如图1所示。
图1系统简易硬件结构框图
2.1车模直立控制方案
两轮白平衡车的直立是通过负反馈来实现的，但是两轮自平衡车的直立相对木棒的直立是相对简单的，木棒的直立是二维的而自平衡车有两个轮子着地且直立是一维的。所以通过控制轮子的转动，抵消倾斜的趋势便可以很好地保持车体直立。两轮自平衡车模型如图2所示。
图2两轮自平衡车模型图
两轮自平衡车之所以在不加外力的情况下不能够直立，是因为车体的偏转方向和受力方向是在同一方向，所以车体会加速倒下，如果要车体直立不倒下那就需要添加外力作用才能够保持平衡状态，这个外力就是车轮对地的摩擦力。由于电机在转动时给地面一个摩擦力，根据牛顿第三定律，地面给车体一个与相对运动方向相反的作用力，这样才会不至于让车体加速倒下。
图3受力分析图
两轮自平衡车的受力分析：
两轮自平衡车的受力分析
2.2车模行走控制方案
两轮自平衡车的速度是通过车轮的速度实现的。车轮的速度通过直流电机经过减速箱，增大扭矩。利用直流电机驱动器控制电机的正反转和PWM调速系统控制两轮自平衡车的平稳运行。然后通过电机的加速度控制车体的平衡，通过电机的恒定速度和静止状态控制车体的匀速运动和静止状态。
在运行的过程中当人体的倾角增大时车轮的加速随之增大以控制车体的平衡，当车体恢复平衡时，以恒定的速度匀速前进。
当转把转动时可实现自动复位功能，在转把的轴径方向安装一个大强度的弹簧，使转把在转动的过程中自动恢复原位，实现了灵活转弯的效果，如果转把的偏向角足够大可以实现原地转弯，使两轮车的运行更加灵活，方便在狭小的地方使用。转把示意图如图4所示。
图4转把示意图
转把的方向和偏向角是通过高精度电位器检测的，在转把的固定轴上安装个角度传感器，实现角度的测量。
3程序流程图
为了便于程序的开发和以后的使用与维护，全部程序采用模块化结构，即由一个主程序和若干个子程序模块构成。主程序首先完成初始化工作，包括定时器初始化、LCD16 02液晶模块初始化、定时器中断初始化、系统时钟初始化、其他参数的初始化等。然后启动定时器进行定时，开中断允许单片机响应内部中断请求。定时器中断流程图如图6所示。各程序功能模块包括LCD1602液晶显示、电机驱动、动态角度测量、转向、欠压报警等。主程序流程图如图5所示。
图5主程序流程图
图6定时器中断流程图
整个系统软件采用模块化结构。软件系统包括：主程序负责显示。车体直立模块用定时器1中断完成，每进入一次中断完成一次PID算法控制车体平衡，在车体保持平衡状态的情况下通过采集转把数据实现转弯功能。
本系统采用ATMEGA16控制芯片简化了系统的硬件结构，提高了系统的可靠性和实时性。利用MMA7260和ENC-03MB可以精确地测量出车体的动态角度和角速度，采用大功率MOS管和板桥驱动芯片可以很好地去除MOS管的发热问题，减少能量的损耗。本电动车采用锂电池供电既节能又环保，本设计的两轮自平衡电动车可以在狭小的环境中行走自如，使出行带来方便。本系统对实际工程应用有一定的指导意义。
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一款基于DSP的循迹及自平衡的智能小车设计
摘要：本系统选用TI公司32位作为控制芯片，设计制作了一款能够循迹并寻找平衡的智能小车。根据所给定的跑道和跑道上的位置标志对小车进行硬件设计和程序编写。循迹分为前后各4路循迹，采用的是4路红外循迹模块，保证了小车能够前进后退均在指定路线上。本文引用地址：
关键词：芯片;红外循迹;倾角传感器;模数转换器
本系统选取了32位作为运动物体的控制中心。TMS320F28027具有丰富的资源，拥有32位架构、高级外设、高度的模拟集成、高达128 KB的快闪存储器，同时还包括功能强大的ADC、高分辨率PWM以及湿著增强的捕获单元等众多特性优异的组件、高精度片上振荡器、模拟比较器、上电复位与掉电保护等在内的各种集成模块。本文以电动车跷跷板的设计为例，介绍了TMS320F28027的PWM电机调速、A/D采样、中断和I/O口等的操作和控制，以及LCD、L298n、红外循迹等外部扩展硬件的连接技巧和方法。
1 小车功能介绍
1.1 按键和显示功能
按键操作：使用3个按键分别进行选择、确认、退出功能操作，在系统上电后，显示界面进入主菜单，通过&选择&按键埘&板上寻平衡&、&上板寻平衡&两个功能进行选择，选定结束按下&确认&键，系统进入对应函数，此时可以按下&退出&键退出对应的功能函数。
显示功能：LCD实时显示小车的倾角和小车正在执行的功能，成功完成一项操作后LCD给出&OK&的指示，同时在每项操作进行时显示其操作所用时间，完成所有任务后显示出每项操作所耗时间。
1.2 &板上寻平衡&功能
在不加配重的情况下，电动车完成以下运动：
①电动车从起始端点A出发，快速行驶到中心点C附近;
②电动车在中心点C附近尽快使跷跷板处于平衡状态，保持平衡5 s，并给出明显的平衡指示;
③电动车从步骤②中的平衡点出发，快速行驶到跷跷板末端B处(车头距跷跷板末端B不大于50 mm);
④电动车在B点停止5 s后，快速倒退回起始端A，完成整个行程;
⑤在整个行驶过程中，电动车始终在跷跷板上，并分阶段实时显示电动车行驶所用的时间。
其中，到达C点附近和倒退回A点有红外循迹装置配合循迹标志完成，寻找平衡主要由倾角传感器检测小车状态控制小车前后移动完成。
1.3 &上板寻平衡&功能
将配重固定在可调整范围内任一指定位置，电动车完成以下运动：
①将电动车放置在地面距离跷跷板起始端A点300 mm以外、90&扇形区域内某一指定位置(车头朝向跷跷板)，电动车能够自动驶上跷跷板，如图1所示。
②电动车在跷跷板上取得平衡，给出明显的平衡指示，保持平衡5 s以上。
③将另一块质量为电动车质量10%～20%的块状配重放置在如图2所示中A至C间指定的位置，电动车能够重新取得平衡，给出明显的平衡指示，保持平衡5 s以上。
1.4 跑道和小车介绍
(1)小车跑道
跑道分为两个部分：矩形部分的跷跷板和扇形部分的地面区域。图2中两侧箭头代表循迹标识，跷跷板中间箭头为后退的循迹标识。在跷跷板中部C点放置跷跷板支架，保证跷跷板可自由摆动。
(2)小车循迹模块安装位置
主要介绍小车循迹模块的安装位置，以保让小车能够正确循迹。前进循迹由小车前部左右各两路的红外循迹装置完成，位置配合跷跷板上前进循迹线安装。后退循迹由小车后部的4路红外循迹装置完成，位置配合跷跷板上后退循迹线安装。安装位置如图3所示。
2 功能模块电路连接
2.1 系统总体模型
TI公司32位 TMS320F28027为系统的控制芯片，系统通过7 V稳压直流电源给电机供电，同时7 V稳压电源经LM8965稳压模块输出5V电压后给其他模块供电。在上电过后使用独立按键配合LCD12864实现功能选择，选择功能结束，小车在红外循迹模块的引导下到达指定地点开始寻找平衡，此时系统对倾角传感器输出电压进行A/D采样并将数据传输给芯片处理，然后芯片输出信号对L298N驱动的直流电机进行调节，配合光电码盘控制小车在跷跷板上移动以实现平衡点寻找。系统框图如图4所示。
2.2 L298N驱动连接电路
L298N是一块双H桥直流电机驱动芯片，主要是对直流电机进行PWM转速调节，对步进电机进行PWM细分操作。驱动部分的端子电压Vs在+5～+35 V，承载最大电流为2 A;逻辑部分的工作电压为5～7 V，电流为0～36 mA，低电平有效值为-0.3～1.5 V，高电平有效值为2.3 V～Vss。该驱动板可驱动2路直流电机，使能端ENA、ENB为高电平时有效，设置IN1和IN2的输入电平确定电机的转动方向，改变输入使能端PWM脉冲的占空比实现调速。(注意：当使能信号为0时，电机处于自由停止状态;当使能信号为1，且IN1和IN2为00或11时，电机处于制动状态，阻止电机转动。)
由于小车采用的是左右两侧速度差转向，所以为了节省I/O口，电机连接时使用一个I/O配合使能端控制一侧的两个电机的转向和转速使能端控制转速，I/O口控制转向。具体操作：同侧的两个电机并联，电机一端通过I/O口经L298N控制，另一端从同一I/O口引出一根信号线经一非门后由L298N控制。具体电路连接如图5所示(其中MG1～MG4为4个直流电机)。
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