滿紅 鄭富榮 胡偉華 陳伙顯 黃錦成 鄧月清

（1五邑大學智能制造學部，廣東江門，529030；2五邑大學藝術設計學院，廣東江門，529030）

0 引言

隨著社會進步和科技發(fā)展，平衡車的應用越來越廣泛?，F(xiàn)有平衡車主要包括兩類：一類是載人平衡車，多用于交通運輸業(yè)；另一類是載物平衡車，主要用于工廠、商場等場所實現(xiàn)自動運輸貨物。

鑒于以上需求，目前各大高校都在積極進行這方面的研究，通過競賽或者研究項目等方式來不斷提升平衡車的各種功能，使平衡車的應用場合越來越多。但由于現(xiàn)有平衡車體積大、造價高、可操控性不強，對于沒有專業(yè)基礎的用戶很難上手操作。

基于上述問題，本文設計了一款集趣味性、科技性、體積小且易操控等特點為一體的教學用尋跡兩輪自平衡車。該平衡車不僅可以配合教學中基礎內(nèi)容的講解，還可以激發(fā)學生的熱情，使學生能夠更快、更容易地掌握相關知識，走進科技之門。

1 平衡車主要結(jié)構(gòu)及功能

1.1 主要結(jié)構(gòu)

尋跡平衡車采用STM32芯片作為控制核心，通過角度傳感器模塊、電磁信號采集模塊獲取車體狀態(tài)信息，再將信息傳送到單片機相應控制器中，根據(jù)不同狀態(tài)輸出相應數(shù)據(jù)給電機驅(qū)動模塊，使平衡車實現(xiàn)直立和尋跡功能，同時通過顯示電路模塊給出平衡車當前的各種狀態(tài)信息。平衡車主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 平衡車主要結(jié)構(gòu)

1.2 功能

平衡車需要實現(xiàn)兩大功能——直立狀態(tài)和尋跡功能。其中，直立狀態(tài)主要是通過角度傳感器MPU6050芯片采集車體角度和加速度數(shù)據(jù)，然后傳送到角度PID控制器與給定值作比較，繼而調(diào)整控制器角度輸出大小驅(qū)動平衡車電機旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)[1]；尋跡功能則是通過工字電感采集道路的磁場信息，經(jīng)過放大和檢波電路將電磁強度轉(zhuǎn)換為0-3.3V的電平信號（即平衡車與車道中心的距離），通過A/D轉(zhuǎn)換后再將信號傳送到方向PID控制器，在直立狀態(tài)的基礎上完成尋跡功能。

2 平衡車硬件設計

尋跡平衡車硬件設計主要包括外觀和硬件電路兩大部分。其中，外觀設計采用左右對稱模式，主要硬件可實現(xiàn)模塊化插拔；硬件電路主要包括主控制電路、驅(qū)動電路、電磁信號放大電路、電源電路等[2]。

2.1 外觀設計

尋跡平衡車在外觀總體設計上要求硬件布局合理有序，電路精簡可靠，元器件擺放左右對稱，保證車體平衡。平衡車電路板PCB布局如圖2所示，其中，平衡車的主控芯片位于車體電路板中心；A/D采集模塊放置在車體前方便尋跡；OLED顯示模塊除了在平衡車工作過程中會有相應的提示圖案，給使用者直觀的信息外，還具有輔助調(diào)節(jié)PID參數(shù)的功能。此外，主要硬件部分已實現(xiàn)模塊化，更換損壞的硬件可直接插拔，極大地方便用戶操作使用。

圖2 平衡車電路板PCB布局

尋跡平衡車實物如圖3所示。該實物沒有封裝，車體電路板裸露在外邊，電機和輪子在電路板下方。

2.2 主控電路設計

尋跡平衡車主控電路主要由3.3V電源穩(wěn)壓模塊、電磁信號采集模塊、STM32主控芯片以及電機驅(qū)動模塊等構(gòu)成[3]。

2.2.1 電源穩(wěn)壓模塊

尋跡平衡車工作電源利用LDO3V3穩(wěn)壓芯片實現(xiàn)3.3V電源輸出。為提高電源輸出品質(zhì)，芯片輸出部分采用100uF鉭電容進行濾波。平衡車電源穩(wěn)壓模塊原理如圖4所示。

圖4 平衡車電源穩(wěn)壓模塊原理

2.2.2 電磁信號采集模塊

電磁信號采集電路主要是完成電磁軌道的數(shù)據(jù)采集工作，通過10mH的工字型電感與6.8nF的電容并聯(lián)，構(gòu)成RLC諧振電路，然后再采集電磁軌道上的20kHz交變磁場信號[4]。因此，該部分電路設計需要考慮兩方面內(nèi)容：一是要產(chǎn)生20kHz的交變電流源信號；二是對采集信號進行放大檢波[5]。

1）電磁軌道及交變電流源設計。

電磁軌道采用 PVC 耐磨塑膠地板材料制作而成，車道寬度（含路肩）不小于45cm，兩條相鄰車道中心線的間距不小于60cm。此外，車道中還有直線、曲線、十字交叉路口等，其中曲線的曲率半徑不小于50cm。電磁車道示意圖如圖5所示。車道中心線上鋪設有電磁引導線，引導線采用直徑為0.1-1.0mm的漆包線。平衡車工作時，漆包線上通有20kHz、100mA的交變電流，電流頻率范圍為20k±1kHz，電流范圍為100±20mA。交變電流源的輸出等效電路如圖6所示。

圖5 電磁車道示意圖

圖6 交變電流源輸出等效電路

2）信號放大檢波電路設計。

由于電磁信號采集電路采集的正弦信號幅值過小，無法滿足20kHz帶寬和增益的要求，因此需要設計信號放大檢波電路。信號放大檢波電路采用LM358芯片實現(xiàn)信號放大檢波功能，其電路設計如圖7所示。

圖7 信號放大檢波電路設計

圖7 中，檢波電路的時間常數(shù)τ=R12C17，一般選擇為激磁電流(f=20kHz)周期的3-5倍。其中，C17的容量越大，輸出到單片機A/D端的直流電壓中的20 kHz波紋越小，但容量過大會導致電路響應時間長，對檢測平衡車偏離道路的反應不靈敏。經(jīng)估算測試，取C17= 0.1uF時，電阻R12選擇51kΩ最為合適。

2.2.3 電機驅(qū)動模塊

由于本設計選擇的130電機需外加齒輪減速，對驅(qū)動功率要求較高[6]，因此，本文選擇具有大電流MOSFET-H橋結(jié)構(gòu)的電機驅(qū)動芯片TB6612FNG。該芯片采用雙通道電路輸出，可同時驅(qū)動2臺電機[7]，無需外加散熱片，具有外圍電路簡單等特點，可以滿足設計要求。其實物如圖8所示。

圖8 TB6612FNG芯片

TB6612FNG芯片通過A、B兩路分別驅(qū)動2臺電機工作。以A路為例，將A01和A02分別接到電機的正極和負極，通過PWMA、AIN2、AIN1 這3個端口控制電機。其中，PWMA接到單片機的PWM引腳。TB6612FNG芯片驅(qū)動電機接線圖如圖9所示。

圖9 TB6612FNG芯片驅(qū)動電機接線圖

3 平衡車控制器設計

3.1 受力分析與設計原理

尋跡平衡車的模型可以采用一階倒立擺模型來描述，若提供其前后方向的受力，則可使壓在兩輪上的重量保持動態(tài)平衡[8]，其受力分析示意如圖10所示。在自然狀態(tài)下，只要采集并控制平衡車電機的轉(zhuǎn)動速度和方向，就可以使其保持直立，并按照道路信息尋跡行駛。

圖10 平衡車受力分析示意

3.2 控制器結(jié)構(gòu)設計

尋跡平衡車主要通過比較車體方向、車體平衡角度大小和實際給定量的偏差，利用非線性PID控制算法進行調(diào)節(jié)。其控制器原理如圖11所示。

圖11 平衡車控制器原理

3.3 控制器參數(shù)整定

尋跡平衡車控制器參數(shù)的整定主要采用試湊法[9]。筆者在對控制器參數(shù)整定過程中發(fā)現(xiàn)，對平衡車系統(tǒng)動態(tài)特性要求較高時，常規(guī)線性PID參數(shù)整定法很難達到要求，于是引入非線性PID參數(shù)整定法，并利用其非線性變化特性來解決這一問題[10]。

為保證平衡車控制系統(tǒng)有較快的響應速度，筆者初始將比例系數(shù)pk取較大值，但為了避免平衡車控制系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)量，影響其穩(wěn)定性，故讓期望誤差E與比例系數(shù)pk成正比例變化。結(jié)果表明，通過對非線性PID參數(shù)進行整定，其抗干擾能力明顯優(yōu)于常規(guī)線性PID控制器。常規(guī)線性PID與非線性PID參數(shù)整定結(jié)果對比如圖12所示。

圖12 常規(guī)線性PID與非線性PID參數(shù)整定結(jié)果對比

在仿真過程中，筆者將比例系數(shù)pk做非線性調(diào)整，使其滿足與誤差之間的非線性關系，公式如下：

其中，MinP為最小比例系數(shù)，MaxP為最大比例系數(shù)，Bias為誤差，MaxRateP為比例系數(shù)調(diào)節(jié)速度。

在調(diào)試過程中，通過調(diào)節(jié)MinP、MaxP以及MaxRateP的大小，就可以根據(jù)誤差自動計算出pk的值，這是與常規(guī)線性PID參數(shù)整定法的不同之處。

4 軟件設計

尋跡平衡車軟件設計主要采用中斷方式完成數(shù)據(jù)采集。在系統(tǒng)初始化時，設置MPU6050芯片外部中斷接口每5ms響應一次中斷，在這5ms的控制周期內(nèi)，單片機需要通過I2C協(xié)議讀取MPU6050芯片采集到的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為角度和角加速度所對應的直立功能的輸入變量；車道信息則通過電感和放大檢波電路采集信號后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到車體與車道中心的距離，并傳送到方向PID控制器進行處理。平衡車控制流程如圖13所示。

圖13 平衡車控制流程

5 結(jié)語

本文介紹的教學用尋跡平衡車在外觀設計及電路設計上都做了優(yōu)化調(diào)整，使整個系統(tǒng)具有小型化、低成本、便于零基礎使用者學習操控等特點，既能滿足青少年的娛樂心智，又能激發(fā)他們探索科技奧秘的熱情，在一定程度上為相關人群提供了較好的學習平臺。