嚴起邦+譚峰+張洪來+鄧世楠+王涵+曹新芳

摘 要：文章旨在研制一種自平衡同軸雙輪循跡小車。系統(tǒng)以陀螺儀和加速度計來檢測車身所處的狀態(tài)和變化率，通過處理器（16位飛思卡爾單片機MC9S12XS128）計算出適當(dāng)數(shù)據(jù)和指令，通過PWM驅(qū)動兩個電機產(chǎn)生前進或后退的加速度使車達到保持平衡效果，以線性CCD光電傳感器來識別黑線檢測路徑，闡述了自平衡的原理同時對系統(tǒng)用到的PID控制技術(shù)做了相應(yīng)介紹，從理論上分析了變積分的PID控制技術(shù)的優(yōu)勢，并在系統(tǒng)的實際測試中獲得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：光電平衡；xs128；智能車

1 引言

隨著智能化的發(fā)展，汽車的智能化、自動化是社會發(fā)展的必然趨勢。通過項目的研究使兩輪自平衡小車能夠智能的識別道路、加速、轉(zhuǎn)彎、避障等復(fù)雜路況，實現(xiàn)智能駕駛。同時兩輪自平衡小車使得車體更加靈活、減少交通擁堵、停車困難等實際生活問題，對于提高人們的生活水平有實際意義，最終設(shè)計小車在規(guī)定路徑上實現(xiàn)自動尋跡、智能壁障等功能。

2 平衡車原理

通過對單擺進行受力分析可知，單擺能夠穩(wěn)定在垂直位置的條件有兩個：受到與位移（角度）相反的恢復(fù)力；受到與運動速度相反的阻尼力?？刂频沽[底部車輪，使得它作加速運動。這樣站在小車上看倒立擺，它在受到與車輪加速度大小成正比方向相反的慣性力的影響。 普通的單擺受力分析如圖1所示。

當(dāng)物體離開垂直的平衡位置之后，便會受到重力與懸線的作用合力，驅(qū)動重物回復(fù)平衡位置。這個力稱之為回復(fù)力，其大小為F=-mgsin？茲≈-mg？茲，在此回復(fù)力F作用下，單擺便進行周期運動。在空氣中運動的單擺，由于受到空氣的阻尼力，單擺最終會停止在垂直平衡位置。空氣的阻尼力與單擺運行速度成正比，方向相反。阻尼力越大，單擺越會盡快在垂直位置穩(wěn)定下來。

這樣倒立擺所受到的回復(fù)力為：

式中，假設(shè)偏角θ與控制車輪加速度成正比，比例為k1。如果k1>g那回復(fù)力與位移的方向相反。另外，增加阻尼力能讓倒立擺盡快回到原位置，阻尼力與偏角的速度成正比，方向相反。因此式（1）可變?yōu)椋?/p>

將倒立擺模型轉(zhuǎn)換成單擺模型，使擺能夠穩(wěn)定在豎直位置。從而得到控制平衡車車輪加速度的控制算法

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

硬件整體框圖如圖2所示。智能車由電源模塊、傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊、單片機最小系統(tǒng)等組成。智能車的工作過程：由線性CCD探測路徑信息，歐姆龍檢測當(dāng)前車速，將各個傳感器采集來的信息交給處理器處理，通過控制算法得出PWM，來控制電機驅(qū)動模塊輸出相應(yīng)的控制電壓，達到控制平衡、轉(zhuǎn)向、循跡的功能。

電機驅(qū)動電路如圖3所示，采用2片BTN7970組成一個完整的H橋驅(qū)動電路驅(qū)動l路有刷直流電機，P0、P2端分別接電機的兩端，BTN 1腳端接下拉電阻，PWM1與PWM5分別輸出非零占空比和零占空比的PWM，讓半橋各有一個導(dǎo)通，組成一個回路，電機驅(qū)動模塊由橋構(gòu)成，H橋具有工作電壓范圍大，導(dǎo)通電阻小，導(dǎo)通電流大的優(yōu)點。

3.2 PID控制原理

連續(xù)控制系統(tǒng)中PID控制規(guī)律如下：

其中 是偏差信號為零時的控制作用，是控制量的基準(zhǔn)；利用外接矩形進行數(shù)值微分，當(dāng)選定采樣周期為T時，式（4）可離散為下面的差分方程

增量式PID算式，

于是：

式（7）的計算結(jié)果，得出第k與第k-1次的輸出之間的增量，所以稱為增量算式。利用增量算式來控制執(zhí)行程序，執(zhí)行程序每次只增加一個增量，所以執(zhí)行對象只是起到一個累加的作用。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

MC9S12DG128 微控制單元作為MC9S12系列的16位單片機，由標(biāo)準(zhǔn)片上外圍設(shè)備組成，同時，單片機內(nèi)的鎖相環(huán)電路可使能耗和性能適應(yīng)具體操作的需要。車模主程序框架如圖4所示。

程序上電運行后，便進行單片機的初始化，包括單片機需要用到的資源進行初始化和應(yīng)用程序初始化。

將車體角度和角速度乘以各自相對應(yīng)的系數(shù)得出直立控制的輸出量。程序算法框圖如圖5所示。

直立控制算法部分代碼如下：

5 結(jié)束語

整車在方案設(shè)計、硬件搭建、機械結(jié)構(gòu)調(diào)整、軟件編程調(diào)試、整體開發(fā)流程中，每一步都會遇到各種各樣的問題，硬件分模塊屏蔽調(diào)試，直到穩(wěn)定，機械結(jié)構(gòu)理論分析，不同方案試用對比，軟件優(yōu)化各個控制參數(shù)，通過進一步對控制算法的改進提高車模的運行速度，實際測試效果良好。

參考文獻

[1]馮智勇，曾瀚，張力，趙亦欣，黃偉.基于陀螺儀及加速度計信號融合的姿態(tài)角度測量[J].西南師范大學(xué)學(xué)報，2011，36（4）：137-141.

[2]陳靜.兩輪自平衡機器人模型及控制方法研究[D].北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，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：清華大學(xué)出社，2011.

作者簡介：嚴起邦（1990-），男，學(xué)生，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，現(xiàn)主要從事兩輪平衡車方面研究學(xué)習(xí)。

通訊作者：譚峰，男，教授，哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)主要從事智能化監(jiān)控技術(shù)的研究工作。endprint

摘 要：文章旨在研制一種自平衡同軸雙輪循跡小車。系統(tǒng)以陀螺儀和加速度計來檢測車身所處的狀態(tài)和變化率，通過處理器（16位飛思卡爾單片機MC9S12XS128）計算出適當(dāng)數(shù)據(jù)和指令，通過PWM驅(qū)動兩個電機產(chǎn)生前進或后退的加速度使車達到保持平衡效果，以線性CCD光電傳感器來識別黑線檢測路徑，闡述了自平衡的原理同時對系統(tǒng)用到的PID控制技術(shù)做了相應(yīng)介紹，從理論上分析了變積分的PID控制技術(shù)的優(yōu)勢，并在系統(tǒng)的實際測試中獲得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：光電平衡；xs128；智能車

1 引言

隨著智能化的發(fā)展，汽車的智能化、自動化是社會發(fā)展的必然趨勢。通過項目的研究使兩輪自平衡小車能夠智能的識別道路、加速、轉(zhuǎn)彎、避障等復(fù)雜路況，實現(xiàn)智能駕駛。同時兩輪自平衡小車使得車體更加靈活、減少交通擁堵、停車困難等實際生活問題，對于提高人們的生活水平有實際意義，最終設(shè)計小車在規(guī)定路徑上實現(xiàn)自動尋跡、智能壁障等功能。

2 平衡車原理

通過對單擺進行受力分析可知，單擺能夠穩(wěn)定在垂直位置的條件有兩個：受到與位移（角度）相反的恢復(fù)力；受到與運動速度相反的阻尼力?？刂频沽[底部車輪，使得它作加速運動。這樣站在小車上看倒立擺，它在受到與車輪加速度大小成正比方向相反的慣性力的影響。 普通的單擺受力分析如圖1所示。

當(dāng)物體離開垂直的平衡位置之后，便會受到重力與懸線的作用合力，驅(qū)動重物回復(fù)平衡位置。這個力稱之為回復(fù)力，其大小為F=-mgsin？茲≈-mg？茲，在此回復(fù)力F作用下，單擺便進行周期運動。在空氣中運動的單擺，由于受到空氣的阻尼力，單擺最終會停止在垂直平衡位置?？諝獾淖枘崃εc單擺運行速度成正比，方向相反。阻尼力越大，單擺越會盡快在垂直位置穩(wěn)定下來。

這樣倒立擺所受到的回復(fù)力為：

式中，假設(shè)偏角θ與控制車輪加速度成正比，比例為k1。如果k1>g那回復(fù)力與位移的方向相反。另外，增加阻尼力能讓倒立擺盡快回到原位置，阻尼力與偏角的速度成正比，方向相反。因此式（1）可變?yōu)椋?/p>

將倒立擺模型轉(zhuǎn)換成單擺模型，使擺能夠穩(wěn)定在豎直位置。從而得到控制平衡車車輪加速度的控制算法

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

硬件整體框圖如圖2所示。智能車由電源模塊、傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊、單片機最小系統(tǒng)等組成。智能車的工作過程：由線性CCD探測路徑信息，歐姆龍檢測當(dāng)前車速，將各個傳感器采集來的信息交給處理器處理，通過控制算法得出PWM，來控制電機驅(qū)動模塊輸出相應(yīng)的控制電壓，達到控制平衡、轉(zhuǎn)向、循跡的功能。

電機驅(qū)動電路如圖3所示，采用2片BTN7970組成一個完整的H橋驅(qū)動電路驅(qū)動l路有刷直流電機，P0、P2端分別接電機的兩端，BTN 1腳端接下拉電阻，PWM1與PWM5分別輸出非零占空比和零占空比的PWM，讓半橋各有一個導(dǎo)通，組成一個回路，電機驅(qū)動模塊由橋構(gòu)成，H橋具有工作電壓范圍大，導(dǎo)通電阻小，導(dǎo)通電流大的優(yōu)點。

3.2 PID控制原理

連續(xù)控制系統(tǒng)中PID控制規(guī)律如下：

其中 是偏差信號為零時的控制作用，是控制量的基準(zhǔn)；利用外接矩形進行數(shù)值微分，當(dāng)選定采樣周期為T時，式（4）可離散為下面的差分方程

增量式PID算式，

于是：

式（7）的計算結(jié)果，得出第k與第k-1次的輸出之間的增量，所以稱為增量算式。利用增量算式來控制執(zhí)行程序，執(zhí)行程序每次只增加一個增量，所以執(zhí)行對象只是起到一個累加的作用。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

MC9S12DG128 微控制單元作為MC9S12系列的16位單片機，由標(biāo)準(zhǔn)片上外圍設(shè)備組成，同時，單片機內(nèi)的鎖相環(huán)電路可使能耗和性能適應(yīng)具體操作的需要。車模主程序框架如圖4所示。

程序上電運行后，便進行單片機的初始化，包括單片機需要用到的資源進行初始化和應(yīng)用程序初始化。

將車體角度和角速度乘以各自相對應(yīng)的系數(shù)得出直立控制的輸出量。程序算法框圖如圖5所示。

直立控制算法部分代碼如下：

5 結(jié)束語

整車在方案設(shè)計、硬件搭建、機械結(jié)構(gòu)調(diào)整、軟件編程調(diào)試、整體開發(fā)流程中，每一步都會遇到各種各樣的問題，硬件分模塊屏蔽調(diào)試，直到穩(wěn)定，機械結(jié)構(gòu)理論分析，不同方案試用對比，軟件優(yōu)化各個控制參數(shù)，通過進一步對控制算法的改進提高車模的運行速度，實際測試效果良好。

參考文獻

[1]馮智勇，曾瀚，張力，趙亦欣，黃偉.基于陀螺儀及加速度計信號融合的姿態(tài)角度測量[J].西南師范大學(xué)學(xué)報，2011，36（4）：137-141.

[2]陳靜.兩輪自平衡機器人模型及控制方法研究[D].北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，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：清華大學(xué)出社，2011.

作者簡介：嚴起邦（1990-），男，學(xué)生，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，現(xiàn)主要從事兩輪平衡車方面研究學(xué)習(xí)。

通訊作者：譚峰，男，教授，哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)主要從事智能化監(jiān)控技術(shù)的研究工作。endprint

摘 要：文章旨在研制一種自平衡同軸雙輪循跡小車。系統(tǒng)以陀螺儀和加速度計來檢測車身所處的狀態(tài)和變化率，通過處理器（16位飛思卡爾單片機MC9S12XS128）計算出適當(dāng)數(shù)據(jù)和指令，通過PWM驅(qū)動兩個電機產(chǎn)生前進或后退的加速度使車達到保持平衡效果，以線性CCD光電傳感器來識別黑線檢測路徑，闡述了自平衡的原理同時對系統(tǒng)用到的PID控制技術(shù)做了相應(yīng)介紹，從理論上分析了變積分的PID控制技術(shù)的優(yōu)勢，并在系統(tǒng)的實際測試中獲得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：光電平衡；xs128；智能車

1 引言

隨著智能化的發(fā)展，汽車的智能化、自動化是社會發(fā)展的必然趨勢。通過項目的研究使兩輪自平衡小車能夠智能的識別道路、加速、轉(zhuǎn)彎、避障等復(fù)雜路況，實現(xiàn)智能駕駛。同時兩輪自平衡小車使得車體更加靈活、減少交通擁堵、停車困難等實際生活問題，對于提高人們的生活水平有實際意義，最終設(shè)計小車在規(guī)定路徑上實現(xiàn)自動尋跡、智能壁障等功能。

2 平衡車原理

通過對單擺進行受力分析可知，單擺能夠穩(wěn)定在垂直位置的條件有兩個：受到與位移（角度）相反的恢復(fù)力；受到與運動速度相反的阻尼力?？刂频沽[底部車輪，使得它作加速運動。這樣站在小車上看倒立擺，它在受到與車輪加速度大小成正比方向相反的慣性力的影響。 普通的單擺受力分析如圖1所示。

當(dāng)物體離開垂直的平衡位置之后，便會受到重力與懸線的作用合力，驅(qū)動重物回復(fù)平衡位置。這個力稱之為回復(fù)力，其大小為F=-mgsin？茲≈-mg？茲，在此回復(fù)力F作用下，單擺便進行周期運動。在空氣中運動的單擺，由于受到空氣的阻尼力，單擺最終會停止在垂直平衡位置?？諝獾淖枘崃εc單擺運行速度成正比，方向相反。阻尼力越大，單擺越會盡快在垂直位置穩(wěn)定下來。

這樣倒立擺所受到的回復(fù)力為：

式中，假設(shè)偏角θ與控制車輪加速度成正比，比例為k1。如果k1>g那回復(fù)力與位移的方向相反。另外，增加阻尼力能讓倒立擺盡快回到原位置，阻尼力與偏角的速度成正比，方向相反。因此式（1）可變?yōu)椋?/p>

將倒立擺模型轉(zhuǎn)換成單擺模型，使擺能夠穩(wěn)定在豎直位置。從而得到控制平衡車車輪加速度的控制算法

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

硬件整體框圖如圖2所示。智能車由電源模塊、傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊、單片機最小系統(tǒng)等組成。智能車的工作過程：由線性CCD探測路徑信息，歐姆龍檢測當(dāng)前車速，將各個傳感器采集來的信息交給處理器處理，通過控制算法得出PWM，來控制電機驅(qū)動模塊輸出相應(yīng)的控制電壓，達到控制平衡、轉(zhuǎn)向、循跡的功能。

電機驅(qū)動電路如圖3所示，采用2片BTN7970組成一個完整的H橋驅(qū)動電路驅(qū)動l路有刷直流電機，P0、P2端分別接電機的兩端，BTN 1腳端接下拉電阻，PWM1與PWM5分別輸出非零占空比和零占空比的PWM，讓半橋各有一個導(dǎo)通，組成一個回路，電機驅(qū)動模塊由橋構(gòu)成，H橋具有工作電壓范圍大，導(dǎo)通電阻小，導(dǎo)通電流大的優(yōu)點。

3.2 PID控制原理

連續(xù)控制系統(tǒng)中PID控制規(guī)律如下：

其中 是偏差信號為零時的控制作用，是控制量的基準(zhǔn)；利用外接矩形進行數(shù)值微分，當(dāng)選定采樣周期為T時，式（4）可離散為下面的差分方程

增量式PID算式，

于是：

式（7）的計算結(jié)果，得出第k與第k-1次的輸出之間的增量，所以稱為增量算式。利用增量算式來控制執(zhí)行程序，執(zhí)行程序每次只增加一個增量，所以執(zhí)行對象只是起到一個累加的作用。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

MC9S12DG128 微控制單元作為MC9S12系列的16位單片機，由標(biāo)準(zhǔn)片上外圍設(shè)備組成，同時，單片機內(nèi)的鎖相環(huán)電路可使能耗和性能適應(yīng)具體操作的需要。車模主程序框架如圖4所示。

程序上電運行后，便進行單片機的初始化，包括單片機需要用到的資源進行初始化和應(yīng)用程序初始化。

將車體角度和角速度乘以各自相對應(yīng)的系數(shù)得出直立控制的輸出量。程序算法框圖如圖5所示。

直立控制算法部分代碼如下：

5 結(jié)束語

整車在方案設(shè)計、硬件搭建、機械結(jié)構(gòu)調(diào)整、軟件編程調(diào)試、整體開發(fā)流程中，每一步都會遇到各種各樣的問題，硬件分模塊屏蔽調(diào)試，直到穩(wěn)定，機械結(jié)構(gòu)理論分析，不同方案試用對比，軟件優(yōu)化各個控制參數(shù)，通過進一步對控制算法的改進提高車模的運行速度，實際測試效果良好。

參考文獻

[1]馮智勇，曾瀚，張力，趙亦欣，黃偉.基于陀螺儀及加速度計信號融合的姿態(tài)角度測量[J].西南師范大學(xué)學(xué)報，2011，36（4）：137-141.

[2]陳靜.兩輪自平衡機器人模型及控制方法研究[D].北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，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：清華大學(xué)出社，2011.

作者簡介：嚴起邦（1990-），男，學(xué)生，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，現(xiàn)主要從事兩輪平衡車方面研究學(xué)習(xí)。

通訊作者：譚峰，男，教授，哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)主要從事智能化監(jiān)控技術(shù)的研究工作。endprint