基于xs128的光电平衡智能车系统设计
2014-07-09 15:44严起邦谭峰张洪来邓世楠王涵曹新芳
科技创新与应用 2014年20期
严起邦+谭峰+张洪来+邓世楠+王涵+曹新芳
摘 要：文章旨在研制一种自平衡同轴双轮循迹小车。系统以陀螺仪和加速度计来检测车身所处的状态和变化率，通过处理器（16位飞思卡尔单片机MC9S12XS128）计算出适当数据和指令，通过PWM驱动两个电机产生前进或后退的加速度使车达到保持平衡效果，以线性CCD光电传感器来识别黑线检测路径，阐述了自平衡的原理同时对系统用到的PID控制技术做了相应介绍，从理论上分析了变积分的PID控制技术的优势，并在系统的实际测试中获得了良好的效果。
关键词：光电平衡；xs128；智能车
1 引言
随着智能化的发展，汽车的智能化、自动化是社会发展的必然趋势。通过项目的研究使两轮自平衡小车能够智能的识别道路、加速、转弯、避障等复杂路况，实现智能驾驶。同时两轮自平衡小车使得车体更加灵活、减少交通拥堵、停车困难等实际生活问题，对于提高人们的生活水平有实际意义，最终设计小车在规定路径上实现自动寻迹、智能壁障等功能。
2 平衡车原理
通过对单摆进行受力分析可知，单摆能够稳定在垂直位置的条件有两个：受到与位移（角度）相反的恢复力；受到与运动速度相反的阻尼力。控制倒立摆底部车轮，使得它作加速运动。这样站在小车上看倒立摆，它在受到与车轮加速度大小成正比方向相反的惯性力的影响。 普通的单摆受力分析如图1所示。
当物体离开垂直的平衡位置之后，便会受到重力与悬线的作用合力，驱动重物回复平衡位置。这个力称之为回复力，其大小为F=-mgsin？兹≈-mg？兹，在此回复力F作用下，单摆便进行周期运动。在空气中运动的单摆，由于受到空气的阻尼力，单摆最终会停止在垂直平衡位置。空气的阻尼力与单摆运行速度成正比，方向相反。阻尼力越大，单摆越会尽快在垂直位置稳定下来。
这样倒立摆所受到的回复力为：
式中，假设偏角θ与控制车轮加速度成正比，比例为k1。如果k1>g那回复力与位移的方向相反。另外，增加阻尼力能让倒立摆尽快回到原位置，阻尼力与偏角的速度成正比，方向相反。因此式（1）可变为：
将倒立摆模型转换成单摆模型，使摆能够稳定在竖直位置。从而得到控制平衡车车轮加速度的控制算法
3 系统硬件电路设计
3.1 系统整体设计
硬件整体框图如图2所示。智能车由电源模块、传感器模块、电机驱动模块、单片机最小系统等组成。智能车的工作过程：由线性CCD探测路径信息，欧姆龙检测当前车速，将各个传感器采集来的信息交给处理器处理，通过控制算法得出PWM，来控制电机驱动模块输出相应的控制电压，达到控制平衡、转向、循迹的功能。
电机驱动电路如图3所示，采用2片BTN7970组成一个完整的H桥驱动电路驱动l路有刷直流电机，P0、P2端分别接电机的两端，BTN 1脚端接下拉电阻，PWM1与PWM5分别输出非零占空比和零占空比的PWM，让半桥各有一个导通，组成一个回路，电机驱动模块由桥构成，H桥具有工作电压范围大，导通电阻小，导通电流大的优点。
3.2 PID控制原理
连续控制系统中PID控制规律如下：
其中 是偏差信号为零时的控制作用，是控制量的基准；利用外接矩形进行数值微分，当选定采样周期为T时，式（4）可离散为下面的差分方程
增量式PID算式，
于是：
式（7）的计算结果，得出第k与第k-1次的输出之间的增量，所以称为增量算式。利用增量算式来控制执行程序，执行程序每次只增加一个增量，所以执行对象只是起到一个累加的作用。
4 系统软件设计
MC9S12DG128 微控制单元作为MC9S12系列的16位单片机，由标准片上外围设备组成，同时，单片机内的锁相环电路可使能耗和性能适应具体操作的需要。车模主程序框架如图4所示。
程序上电运行后，便进行单片机的初始化，包括单片机需要用到的资源进行初始化和应用程序初始化。
将车体角度和角速度乘以各自相对应的系数得出直立控制的输出量。程序算法框图如图5所示。
直立控制算法部分代码如下：
5 结束语
整车在方案设计、硬件搭建、机械结构调整、软件编程调试、整体开发流程中，每一步都会遇到各种各样的问题，硬件分模块屏蔽调试，直到稳定，机械结构理论分析，不同方案试用对比，软件优化各个控制参数，通过进一步对控制算法的改进提高车模的运行速度，实际测试效果良好。
参考文献
[1]冯智勇，曾瀚，张力，赵亦欣，黄伟.基于陀螺仪及加速度计信号融合的姿态角度测量[J].西南师范大学学报，2011，36（4）：137-141.
[2]陈静.两轮自平衡机器人模型及控制方法研究[D].北京工业大学硕士学位论文，2008.
[3]Rich Chi Ooi.Balancing a Two-Wheeled Autonomous Robot[D].The University of Western Australia Final Year Thesis，2003.
[4]Gene F.Franklin，J.David Powell，Michael L.Workman.Digital Control of Dynamic Systems[M].北京：清华大学出社，2011.
作者简介：严起邦（1990-），男，学生，黑龙江八一农垦大学，现主要从事两轮平衡车方面研究学习。
通讯作者：谭峰，男，教授，哈尔滨工业大学毕业，现主要从事智能化监控技术的研究工作。endprint
摘 要：文章旨在研制一种自平衡同轴双轮循迹小车。系统以陀螺仪和加速度计来检测车身所处的状态和变化率，通过处理器（16位飞思卡尔单片机MC9S12XS128）计算出适当数据和指令，通过PWM驱动两个电机产生前进或后退的加速度使车达到保持平衡效果，以线性CCD光电传感器来识别黑线检测路径，阐述了自平衡的原理同时对系统用到的PID控制技术做了相应介绍，从理论上分析了变积分的PID控制技术的优势，并在系统的实际测试中获得了良好的效果。
关键词：光电平衡；xs128；智能车
1 引言
随着智能化的发展，汽车的智能化、自动化是社会发展的必然趋势。通过项目的研究使两轮自平衡小车能够智能的识别道路、加速、转弯、避障等复杂路况，实现智能驾驶。同时两轮自平衡小车使得车体更加灵活、减少交通拥堵、停车困难等实际生活问题，对于提高人们的生活水平有实际意义，最终设计小车在规定路径上实现自动寻迹、智能壁障等功能。
2 平衡车原理
通过对单摆进行受力分析可知，单摆能够稳定在垂直位置的条件有两个：受到与位移（角度）相反的恢复力；受到与运动速度相反的阻尼力。控制倒立摆底部车轮，使得它作加速运动。这样站在小车上看倒立摆，它在受到与车轮加速度大小成正比方向相反的惯性力的影响。 普通的单摆受力分析如图1所示。
当物体离开垂直的平衡位置之后，便会受到重力与悬线的作用合力，驱动重物回复平衡位置。这个力称之为回复力，其大小为F=-mgsin？兹≈-mg？兹，在此回复力F作用下，单摆便进行周期运动。在空气中运动的单摆，由于受到空气的阻尼力，单摆最终会停止在垂直平衡位置。空气的阻尼力与单摆运行速度成正比，方向相反。阻尼力越大，单摆越会尽快在垂直位置稳定下来。
这样倒立摆所受到的回复力为：
式中，假设偏角θ与控制车轮加速度成正比，比例为k1。如果k1>g那回复力与位移的方向相反。另外，增加阻尼力能让倒立摆尽快回到原位置，阻尼力与偏角的速度成正比，方向相反。因此式（1）可变为：
将倒立摆模型转换成单摆模型，使摆能够稳定在竖直位置。从而得到控制平衡车车轮加速度的控制算法
3 系统硬件电路设计
3.1 系统整体设计
硬件整体框图如图2所示。智能车由电源模块、传感器模块、电机驱动模块、单片机最小系统等组成。智能车的工作过程：由线性CCD探测路径信息，欧姆龙检测当前车速，将各个传感器采集来的信息交给处理器处理，通过控制算法得出PWM，来控制电机驱动模块输出相应的控制电压，达到控制平衡、转向、循迹的功能。
电机驱动电路如图3所示，采用2片BTN7970组成一个完整的H桥驱动电路驱动l路有刷直流电机，P0、P2端分别接电机的两端，BTN 1脚端接下拉电阻，PWM1与PWM5分别输出非零占空比和零占空比的PWM，让半桥各有一个导通，组成一个回路，电机驱动模块由桥构成，H桥具有工作电压范围大，导通电阻小，导通电流大的优点。
3.2 PID控制原理
连续控制系统中PID控制规律如下：
其中 是偏差信号为零时的控制作用，是控制量的基准；利用外接矩形进行数值微分，当选定采样周期为T时，式（4）可离散为下面的差分方程
增量式PID算式，
于是：
式（7）的计算结果，得出第k与第k-1次的输出之间的增量，所以称为增量算式。利用增量算式来控制执行程序，执行程序每次只增加一个增量，所以执行对象只是起到一个累加的作用。
4 系统软件设计
MC9S12DG128 微控制单元作为MC9S12系列的16位单片机，由标准片上外围设备组成，同时，单片机内的锁相环电路可使能耗和性能适应具体操作的需要。车模主程序框架如图4所示。
程序上电运行后，便进行单片机的初始化，包括单片机需要用到的资源进行初始化和应用程序初始化。
将车体角度和角速度乘以各自相对应的系数得出直立控制的输出量。程序算法框图如图5所示。
直立控制算法部分代码如下：
5 结束语
整车在方案设计、硬件搭建、机械结构调整、软件编程调试、整体开发流程中，每一步都会遇到各种各样的问题，硬件分模块屏蔽调试，直到稳定，机械结构理论分析，不同方案试用对比，软件优化各个控制参数，通过进一步对控制算法的改进提高车模的运行速度，实际测试效果良好。
参考文献
[1]冯智勇，曾瀚，张力，赵亦欣，黄伟.基于陀螺仪及加速度计信号融合的姿态角度测量[J].西南师范大学学报，2011，36（4）：137-141.
[2]陈静.两轮自平衡机器人模型及控制方法研究[D].北京工业大学硕士学位论文，2008.
[3]Rich Chi Ooi.Balancing a Two-Wheeled Autonomous Robot[D].The University of Western Australia Final Year Thesis，2003.
[4]Gene F.Franklin，J.David Powell，Michael L.Workman.Digital Control of Dynamic Systems[M].北京：清华大学出社，2011.
作者简介：严起邦（1990-），男，学生，黑龙江八一农垦大学，现主要从事两轮平衡车方面研究学习。
通讯作者：谭峰，男，教授，哈尔滨工业大学毕业，现主要从事智能化监控技术的研究工作。endprint
摘 要：文章旨在研制一种自平衡同轴双轮循迹小车。系统以陀螺仪和加速度计来检测车身所处的状态和变化率，通过处理器（16位飞思卡尔单片机MC9S12XS128）计算出适当数据和指令，通过PWM驱动两个电机产生前进或后退的加速度使车达到保持平衡效果，以线性CCD光电传感器来识别黑线检测路径，阐述了自平衡的原理同时对系统用到的PID控制技术做了相应介绍，从理论上分析了变积分的PID控制技术的优势，并在系统的实际测试中获得了良好的效果。
关键词：光电平衡；xs128；智能车
1 引言
随着智能化的发展，汽车的智能化、自动化是社会发展的必然趋势。通过项目的研究使两轮自平衡小车能够智能的识别道路、加速、转弯、避障等复杂路况，实现智能驾驶。同时两轮自平衡小车使得车体更加灵活、减少交通拥堵、停车困难等实际生活问题，对于提高人们的生活水平有实际意义，最终设计小车在规定路径上实现自动寻迹、智能壁障等功能。
2 平衡车原理
通过对单摆进行受力分析可知，单摆能够稳定在垂直位置的条件有两个：受到与位移（角度）相反的恢复力；受到与运动速度相反的阻尼力。控制倒立摆底部车轮，使得它作加速运动。这样站在小车上看倒立摆，它在受到与车轮加速度大小成正比方向相反的惯性力的影响。 普通的单摆受力分析如图1所示。
当物体离开垂直的平衡位置之后，便会受到重力与悬线的作用合力，驱动重物回复平衡位置。这个力称之为回复力，其大小为F=-mgsin？兹≈-mg？兹，在此回复力F作用下，单摆便进行周期运动。在空气中运动的单摆，由于受到空气的阻尼力，单摆最终会停止在垂直平衡位置。空气的阻尼力与单摆运行速度成正比，方向相反。阻尼力越大，单摆越会尽快在垂直位置稳定下来。
这样倒立摆所受到的回复力为：
式中，假设偏角θ与控制车轮加速度成正比，比例为k1。如果k1>g那回复力与位移的方向相反。另外，增加阻尼力能让倒立摆尽快回到原位置，阻尼力与偏角的速度成正比，方向相反。因此式（1）可变为：
将倒立摆模型转换成单摆模型，使摆能够稳定在竖直位置。从而得到控制平衡车车轮加速度的控制算法
3 系统硬件电路设计
3.1 系统整体设计
硬件整体框图如图2所示。智能车由电源模块、传感器模块、电机驱动模块、单片机最小系统等组成。智能车的工作过程：由线性CCD探测路径信息，欧姆龙检测当前车速，将各个传感器采集来的信息交给处理器处理，通过控制算法得出PWM，来控制电机驱动模块输出相应的控制电压，达到控制平衡、转向、循迹的功能。
电机驱动电路如图3所示，采用2片BTN7970组成一个完整的H桥驱动电路驱动l路有刷直流电机，P0、P2端分别接电机的两端，BTN 1脚端接下拉电阻，PWM1与PWM5分别输出非零占空比和零占空比的PWM，让半桥各有一个导通，组成一个回路，电机驱动模块由桥构成，H桥具有工作电压范围大，导通电阻小，导通电流大的优点。
3.2 PID控制原理
连续控制系统中PID控制规律如下：
其中 是偏差信号为零时的控制作用，是控制量的基准；利用外接矩形进行数值微分，当选定采样周期为T时，式（4）可离散为下面的差分方程
增量式PID算式，
于是：
式（7）的计算结果，得出第k与第k-1次的输出之间的增量，所以称为增量算式。利用增量算式来控制执行程序，执行程序每次只增加一个增量，所以执行对象只是起到一个累加的作用。
4 系统软件设计
MC9S12DG128 微控制单元作为MC9S12系列的16位单片机，由标准片上外围设备组成，同时，单片机内的锁相环电路可使能耗和性能适应具体操作的需要。车模主程序框架如图4所示。
程序上电运行后，便进行单片机的初始化，包括单片机需要用到的资源进行初始化和应用程序初始化。
将车体角度和角速度乘以各自相对应的系数得出直立控制的输出量。程序算法框图如图5所示。
直立控制算法部分代码如下：
5 结束语
整车在方案设计、硬件搭建、机械结构调整、软件编程调试、整体开发流程中，每一步都会遇到各种各样的问题，硬件分模块屏蔽调试，直到稳定，机械结构理论分析，不同方案试用对比，软件优化各个控制参数，通过进一步对控制算法的改进提高车模的运行速度，实际测试效果良好。
参考文献
[1]冯智勇，曾瀚，张力，赵亦欣，黄伟.基于陀螺仪及加速度计信号融合的姿态角度测量[J].西南师范大学学报，2011，36（4）：137-141.
[2]陈静.两轮自平衡机器人模型及控制方法研究[D].北京工业大学硕士学位论文，2008.
[3]Rich Chi Ooi.Balancing a Two-Wheeled Autonomous Robot[D].The University of Western Australia Final Year Thesis，2003.
[4]Gene F.Franklin，J.David Powell，Michael L.Workman.Digital Control of Dynamic Systems[M].北京：清华大学出社，2011.
作者简介：严起邦（1990-），男，学生，黑龙江八一农垦大学，现主要从事两轮平衡车方面研究学习。
通讯作者：谭峰，男，教授，哈尔滨工业大学毕业，现主要从事智能化监控技术的研究工作。endprint
