林 華 徐宇寶 李 穎 張曉東 曹昌勇

（皖西學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院,安徽 六安 230712）

兩輪直立的自平衡機(jī)器人能夠完成特殊場合中多輪機(jī)器人無法完成的一些復(fù)雜運(yùn)動(dòng)等，其動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)具有非線性、多變量等特點(diǎn)，是一種本質(zhì)上不穩(wěn)定的移動(dòng)機(jī)器人，兩輪自平衡智能車是其應(yīng)用領(lǐng)域的新拓展。對基于攝像頭導(dǎo)航的兩輪直立自平衡智能車進(jìn)行研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義[1-4]。

“恩智浦”杯智能車競賽前身為“飛思卡爾”杯智能車競賽，迄今已成功舉辦了12屆，自第七屆開始設(shè)立直立組。直立組相對于四輪組的設(shè)計(jì)制作要困難一些，調(diào)試也更為繁瑣，直立組車模的制作與調(diào)試需要投入大量時(shí)間和精力，所以參賽人數(shù)相對四輪組也就偏少些。本文針對第十二屆“恩智浦”杯智能汽車競賽中的攝像頭導(dǎo)航兩輪直立智能車進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究并改進(jìn)了其控制策略，有效提升了車模的運(yùn)行效果。

1.整車設(shè)計(jì)

智能車整車系統(tǒng)是一個(gè)多反饋系統(tǒng)，系統(tǒng)的整體框如圖1所示。整車由CMOS攝像頭OV7725采集賽道圖像信息、姿態(tài)檢測傳感器采集車身姿態(tài)信息、光電編碼器采集車模運(yùn)行速度信息作為速度反饋信號,以及按鍵撥碼等調(diào)試工具信號輸入給恩智浦Kinetis系列單片機(jī)主控芯片K60DN512Z處理，通過一定的算法解算出控制量，輸出到兩個(gè)直流電機(jī)執(zhí)行速度輸出和方向差速。經(jīng)過精心設(shè)計(jì)、優(yōu)化和調(diào)試，可以實(shí)現(xiàn)攝像頭導(dǎo)航的兩輪直立智能車準(zhǔn)確識別路徑并平穩(wěn)高速地運(yùn)行，車模實(shí)物如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

圖2 直立智能車實(shí)物圖

車模的最終目的是能高速平衡地行駛在PVC賽道上，而直立車僅僅靠兩個(gè)電機(jī)來控制車模平衡速度和方向，這就要求在設(shè)計(jì)過程中多方面進(jìn)行考慮，以達(dá)到高速及其平衡性，可以從以下幾點(diǎn)進(jìn)行考慮。

（1）總體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。不合理的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致車模質(zhì)量過大、重心分散，會(huì)導(dǎo)致車模轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大、車模在高速過彎時(shí)會(huì)出現(xiàn)打滑并損失大量速度分量，車模運(yùn)行的穩(wěn)定性和速度大打折扣。因此，為了使車模有更好的加減速性能和高速過彎的穩(wěn)定性能，首先在重心上要求盡量低且質(zhì)量相對集中，并且車?？傮w重量也不宜過大；其次在重量分配上需注意調(diào)整車模的機(jī)械零點(diǎn)，因?yàn)橛袡C(jī)械零點(diǎn)的車模其加減速可控，不會(huì)導(dǎo)致速度過快而無法減速。本文經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)安裝，最終將車模重量控制在800-900g之間，攝像頭架設(shè)高度在30cm,行駛時(shí)前瞻在1m左右。

（2）陀螺儀加速度計(jì)模塊的安裝。應(yīng)盡量安裝在車模的中軸線上且盡可能靠近車軸位置，既能反映車模前后擺動(dòng)幅度，又可以大大減少加速度計(jì)的運(yùn)動(dòng)噪聲。還必須保證完全水平安裝，因?yàn)檐嚹＾D(zhuǎn)向要用到橫向角速度進(jìn)行微分控制。加速度和角速度融合后的角度波形需平滑且無過沖及毛刺。

（3）車模其他零部件調(diào)整。由于出廠的車模都存在偏差，在車軸大齒輪和電機(jī)齒輪嚙合處需要精細(xì)調(diào)整。輪胎的摩擦力是高速行駛的一項(xiàng)重要指標(biāo)，車模的橡膠材質(zhì)輪胎需經(jīng)過小幅度打磨，保持輪胎的濕潤亦可增加輪胎的摩擦力。

（4）控制算法。為保證行駛過程中的穩(wěn)定性，算法中直立控制周期需要短一些，可以高效地反應(yīng)車模姿態(tài)并做出調(diào)整；速度控制周期長一些，可以減少對直立的干擾。另外需要對速度的輸入輸出作限幅，對速度作平滑輸出以達(dá)到最理想的勻速行駛狀態(tài)，即使是遇到惡劣路況時(shí)甚至是單輪跳起的情況下依然可控不至于翻車。

2.主控板設(shè)計(jì)

為使直立車模有更好的機(jī)械結(jié)構(gòu)，本文在主控板的設(shè)計(jì)上也作了相應(yīng)優(yōu)化。前幾屆的直立車主控部分普遍是由兩塊PCB板組成，主控和驅(qū)動(dòng)板各一塊，而且芯片都采用市面上購買的核心板，這樣會(huì)使得整體車模重量相對較大，而又由于該車模上可配置的理想空間非常有限，在擺放時(shí)很難擺到理想位置，使得車模重量分布比較分散，嚴(yán)重影響車模的調(diào)試和運(yùn)行。電池等配件形狀和質(zhì)量不易修改和控制，故本文基于輕量化思想優(yōu)化設(shè)計(jì)了主控電路板。首先將整個(gè)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)在一塊PCB上，大小僅10cm×6cm；其次采用的并非市面上的核心板，而是采用LQFP封裝的芯片，直接焊在主控板上。當(dāng)然，一體化設(shè)計(jì)的板子需要注意做好隔離，如芯片供電和信號采集供電分別供電等。本文設(shè)計(jì)參加第十二屆比賽的使用板整體板圖如圖3、圖4所示。

圖3 PCB整體板圖1

圖4 PCB整體板圖2

整個(gè)系統(tǒng)由一塊官方提供的7.2V鎳鎘電池供電，由于各個(gè)模塊額定電壓電流的不同，在硬件設(shè)計(jì)上需要多路穩(wěn)壓、濾波和隔離。電源設(shè)計(jì)上，采用了TPS公司的降壓穩(wěn)壓芯片，先使用TPS7350對電池電壓7.2V穩(wěn)壓到5V，給部分液晶按鍵等5V器件供電；再用TPS7333對5V穩(wěn)壓到3.3V,給主控芯片K60、姿態(tài)傳感器和CMOS攝像頭等3.3V器件供電。這幾個(gè)電壓滿足整個(gè)系統(tǒng)的供電要求。

驅(qū)動(dòng)部分是由IR2104作為驅(qū)動(dòng)芯片的MOS驅(qū)動(dòng)電路，具有負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在控制電機(jī)加減速性能方面更快速、更強(qiáng)勁。由于整個(gè)控制板在一塊PCB上，因此中間用74LVC245做了隔離。

本文設(shè)計(jì)的電路板在智能車的整個(gè)調(diào)試和參賽過程中沒有出現(xiàn)電路問題，且足夠穩(wěn)定，滿足使用要求。

3.軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。整車控制系統(tǒng)從各個(gè)模塊初始化開始，之后進(jìn)入一個(gè)主函數(shù)的while循環(huán)，在循環(huán)里利用K60的DMA獲取攝像頭圖像并進(jìn)行處理，得到賽道邊線，然后檢測撥碼狀態(tài)來決定串口調(diào)試是否使用。因?yàn)榇谑褂脮?huì)占用主控運(yùn)行時(shí)間，所以比賽時(shí)一般不打開串口調(diào)試。最后進(jìn)行起跑線檢測，檢測到之后關(guān)閉中斷服務(wù)，停車完成比賽?？刂坪瘮?shù)全部在定時(shí)器中斷完成。本文利用K60的PIT中斷，設(shè)置了1ms的中斷時(shí)間，并分步實(shí)現(xiàn)直立的1ms控制周期，速度的100ms的控制周期，方向的10ms控制周期以及電機(jī)的1ms控制輸出周期。

圖5 系統(tǒng)控制流程圖

3.1 速度控制

本文車模使用歐姆龍的512線編碼器采集當(dāng)前速度后反饋至單片機(jī)，形成速度閉環(huán)控制，再經(jīng)過PID環(huán)節(jié)，輸出PWM信號至電機(jī)實(shí)現(xiàn)車模按預(yù)定速度運(yùn)行。

在速度控制算法上一開始采用參考文獻(xiàn)[5]《電磁組直立行車參考設(shè)計(jì)方案》的PI控制方法，經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，在速度為0時(shí)可以保持較好的穩(wěn)定效果，當(dāng)給車模一定速度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)起步發(fā)車傾角變化太大，而且行進(jìn)過程中會(huì)出現(xiàn)明顯的突然減速現(xiàn)象。在積分環(huán)節(jié)I的調(diào)試方面，過大的I參數(shù)會(huì)引起振蕩，過小的I參數(shù)加速較慢。當(dāng)然由于直立車的特性，車模很難做到勻速行駛，I的加入也不能做到像四輪車一樣給一個(gè)合適的I來消除穩(wěn)態(tài)誤差。

為解決這一控速問題，本文首先對積分作了限幅控制，并且對車模速度變化率進(jìn)行限制，輸出時(shí)也經(jīng)過低通濾波再限幅輸出，可以解決這一直立組普遍問題；其次對車模研究了積分分段控制方法，即在實(shí)際速度與期望速度相差不大時(shí)引入積分項(xiàng)以消除穩(wěn)態(tài)誤差，在速度與期望速度偏差過大時(shí)不再引入積分項(xiàng)，取消積分作用。使用此方案后車模速度能穩(wěn)定在2.4m/s左右，不會(huì)出現(xiàn)車模前后搖擺的問題。

3.2 直立、方向控制

車模的直立控制包括姿態(tài)檢測、直立PD控制。姿態(tài)檢測使用加速度計(jì)和陀螺儀互補(bǔ)濾波完成，通過PD控制車模直立。在角速度和加速度融合時(shí)參考《電磁組直立行車參考設(shè)計(jì)方案》[5]里的互補(bǔ)濾波，也可以采用卡爾曼濾波?？柭鼮V波的自矯正效果好，但是對于采用數(shù)字陀螺儀加速度計(jì)，互補(bǔ)濾波完全可以達(dá)到很好的效果。所以最終采用的是互補(bǔ)濾波。

在車模方向控制上，攝像頭識別后計(jì)算出賽道信息，判斷車模的當(dāng)前位置，最終給定方向輸出值。本車模使用了 “PD+補(bǔ)償”的方向控制算法，保證高速過急彎時(shí)不至于滑出賽道。方向偏差利用邊沿跟蹤的方式采集到賽道兩個(gè)邊緣，再利用兩邊面積求差法即左邊邊緣以外的面積減去右邊邊緣以外的面積，得到車模偏離賽道的數(shù)值。例如對于像素是80×60的圖像，面積差的求法是：

采用上述的直立及方向控制策略的車模在行駛中效果較好。

3.3 串級控制

傳統(tǒng)的直立車分為直立環(huán)、速度環(huán)和方向環(huán)三個(gè)控制環(huán)，最后將三個(gè)環(huán)的輸出求和作為總輸出，也就是常說的并級控制,文獻(xiàn)[3]中采用的就是并級控制策略。

本文在實(shí)驗(yàn)中將上述速度、直立及方向控制算法進(jìn)行并級輸出，控制流程圖如圖6所示。其中，電機(jī)速度輸出是直立環(huán)的輸出減去速度環(huán)的輸出，即二者加減產(chǎn)生PWM輸出作用在電機(jī)上。理想狀態(tài)是勻速行駛，然而當(dāng)車模在速度較高時(shí)，由于各種原因加減速頻繁，這時(shí)速度控制輸出就會(huì)干擾直立輸出，容易產(chǎn)生直立不穩(wěn)定。另外在控制周期上一般采用直立周期1ms，速度控制周期100ms，目的就是為了防止速度過分干擾直立。在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，使用并級控制時(shí)，車模均速只能穩(wěn)定在2.4m/s左右，若再提速，車模運(yùn)行時(shí)角度變化以及過彎時(shí)速度變化都很大，這時(shí)候采集到的圖像有著很大的畸變，調(diào)節(jié)簡單參數(shù)已經(jīng)無法解決這些問題。由此可見，實(shí)際中采用并級控制在高速時(shí)容易有直立穩(wěn)定性不夠高的問題存在。

圖6 速度、直立、方向并級控制示意圖

為了使智能車的速度控制不直接過多地干擾直立，為了有更高的穩(wěn)定姿態(tài)，在直立智能車中引入四軸飛行器保持穩(wěn)定姿態(tài)的角度環(huán)和角速度環(huán)串級控制思想[6]，并引入一個(gè)角速度環(huán)，與角度環(huán)一起作為直立環(huán)，即“速度環(huán)PID控制—角度環(huán)PID控制—角速度環(huán)PID控制”三環(huán)串級控制。

在實(shí)驗(yàn)中，本文設(shè)計(jì)三環(huán)串級控制方案如圖7所示（圖中方向環(huán)未畫出），“速度環(huán)PI控制”串級是最外環(huán)，且作為“角度環(huán)PD”中間環(huán)的輸入，“角速度環(huán)PID控制”作為最內(nèi)環(huán)。在串級控制中，速度環(huán)的輸出是產(chǎn)生一個(gè)直立的傾角變化值作為正反饋和姿態(tài)傳感器的反饋值共同加在直立環(huán)上，可以理解成速度環(huán)輸出的不再是PWM變化值，而是輸出車模的直立傾角變化值。

圖7 三環(huán)串級控制示意圖

串級系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，可以從最內(nèi)環(huán)角速度環(huán)開始，將角度環(huán)和速度環(huán)PID均置0，慢慢增加角速度P，直到用手晃動(dòng)車模時(shí)，車模有一個(gè)反作用力，也就是想保持車模平衡的力，這時(shí)候稍加D參數(shù)；然后調(diào)節(jié)角度環(huán)P參數(shù)直到車模可自主直立，再稍加D參數(shù)去除多余的車模抖動(dòng)。

采用了此三環(huán)串級控制思想的平衡車較傳統(tǒng)的并級控制在直立穩(wěn)定性性能上有了很大的改觀。在參數(shù)合理設(shè)置的情況下，實(shí)驗(yàn)室調(diào)試速度可達(dá)2.7m/s穩(wěn)定運(yùn)行。

4.結(jié)論

本文針對第十二屆“恩智浦”杯智能汽車競賽中攝像頭導(dǎo)航的兩輪直立智能車進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)制作，并研究改進(jìn)了一些控制策略，主要有：

（1)采用一體化主控板設(shè)計(jì)，大大縮小了板的面積及質(zhì)量，并對車模的機(jī)械安裝做了一些優(yōu)化調(diào)整，保證了高速時(shí)的機(jī)械穩(wěn)定性。

（2)研究了車模速度PI控制的積分限幅控制及積分分段控制策略，證實(shí)該算法能有效改善車模的控速問題。

（3)提出一種“速度環(huán)—角度環(huán)—角速度環(huán)”三環(huán)串級控制的思想，并給出了調(diào)試方法，該控制策略較傳統(tǒng)并級控制在車模的直立穩(wěn)定性上有了很大改觀，提高了車模高速穩(wěn)定性能。

本文設(shè)計(jì)的車模在比賽中圓滿完成比賽，平均速度達(dá)2.76m/s。該方案可為相關(guān)智能車的制作提供參考，亦可為其他領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用提供借鑒。