两轮自平衡小车控制系统的设计
摘 要： 介绍了两轮自平衡小车控制系统的设计与实现，系统以飞思卡尔公司的16位微控制器MC9S12XS128MAL作为核心控制单元，利用加速度传感器MMA7361测量重力加速度的分量，即小车的实时倾角，以及利用陀螺仪ENC-03MB测量小车的实时角速度，并利用光电编码器采集小车的前进速度，实现了小车的平衡和速度控制。在小车可以保持两轮自平衡前提下，采用摄像头CCD-TSL1401作为路径识别传感器，实时采集赛道信息，并通过左右轮差速控制转弯，使小车始终沿着赛道中线运行。实验表明，该控制系统能较好地控制小车平衡快速地跟随跑道运行，具有一定的实用性。
关键词： 控制；自平衡；实时性
近年来，随着经济的不断发展和城市人口的日益增长，城市交通阻塞以及耗能、污染问题成为了一个困扰人们的心病。新型交通工具的诞生显得尤为重要，两轮自平衡小车应运而生，其以行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。但是，昂贵的成本还是令人望而止步，成为它暂时无法广泛推广的一个重要原因。因此，开展对两轮自平衡车的深入研究，不仅对改善平衡车的性价比有着重要意义，同时也对提高我国在该领域的科研水平、扩展机器人的应用背景等具有重要的理论及现实意义。全国大学生飞思卡尔智能车竞赛与时俱进，第七届电磁组小车首次采用了两轮小车，模拟两轮自平衡电动智能车的运行机理。在此基础上，第八届光电组小车再次采用两轮小车作为控制系统的载体。小车设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械及能源等多个学科的知识。 1 小车控制系统总体方案
小车以16位单片机MC9S12XS128MAL作为中央控制单元，用陀螺仪和加速度传感器分别检测小车的加速度和倾斜角度[1]，以线性CCD采集小车行走时的赛道信息，最终通过三者的数据融合，作为直流电机的输入量，从而驱动直流电机的差速运转，实现小车的自动循轨功能。同时，为了更方便、及时地观察小车行走时数据的变化，并且对数据作出正确的处理，本系统调试时需要无线模块和上位机的配合。小车控制系统总体架构。
2 小车控制系统自平衡原理
两轮小车能够实现自平衡功能，并且在受到一定外力的干扰下，仍能保持直立状态，是小车可以沿着赛道自动循线行走的先决条件。为了更好地控制小车的行走方式，得到最优的行走路径，需要对小车分模块分析与控制。
本控制系统维持小车直立和运行的动力都来自小车的两个轮子，轮子转动由两个直流电机驱动。小车作为一个控制对象，它的控制输入量是两个电机的转动速度。小车运动控制可以分解成以下3个基本控制任务。
（1）小车平衡控制：通过控制两个电机正反方向运动保持小车直立平衡状态；
（2）小车速度控制：通过调节小车的倾斜角度来实现小车速度控制，本质上是通过控制电机的转速来实现小车速度的控制。
（3）小车方向控制：通过控制两个电机之间的转动差速实现小车转向控制。
2.1 小车平衡控制
要想实现小车的平衡控制，需要采取负反馈控制方式[2]。当小车偏离平衡点时，通过控制电机驱动电机实现加、减速，从而抵消小车倾斜的趋势，便可以保持车体平衡。即当小车有向前倾的趋势时，可以使电机正向加速，给小车一个向前的加速度，在回复力和阻尼力的作用下，小车不至于向前倾倒；当小车有向后倾的趋势时，可以使小车反向加速，给小车一个向后的加速度，从而不会让小车向后倾倒，。
从上述的定性分析可知，在运动过程中小车会不断地在平衡点附近来回摆动，如果控制不当，来回摆动的幅度会很大。显然，这样的控制不能满足两轮小车的实际要求，小车更无法按照赛道快速运行。为使小车可以在平衡点附近很好地保持平衡，需要对小车的加速度等进行严格地定量分析和计算。
直立着的小车能简化成放置在可以左右移动平台上的倒立着的单摆[3]。从图3可知，小车在偏离平衡位置时无法在不受外力的情况下稳定在平衡位置，是因为小车受到的回复力F=mgsinθ与小车位移偏离的方向相同，这样会加速使小车向偏离平衡的位置倒下。要想小车可以稳定在平衡位置，必须给小车额外增加一个和回复力相反方向的力。如果产生一个与小车偏离方向相同的加速度a，使小车受到额外的力F额外=-macosθ，此时小车所受到的合力为F合=mgsinθ-macosθ。只要F合<0，即F合的方向与小车偏离平衡位置的方向相反，小车就拥有了回复平衡位置的趋势，进而在空气阻力以及小车机械阻力的作用下，可以在一个平衡点稳定下来。
2.2 小车速度控制
两轮小车速度控制相对于4轮小车要复杂得多，因为在改变小车速度时，还需要保证小车可以实现平衡控制[4]。在保持小车平衡的前提下，采取改变小车倾角的方式来改变小车的速度。在一定范围内，当小车向前倾的角度越大时，小车前进的速度越大；当小车向后倾的角度越大时，小车前进的速度越小。
即使小车在直立控制调节下已经能够保持平衡，但由于安装误差的存在，传感器测量的角度与小车实际角度存在偏差，因此小车实际会在重力的作用下，朝倾斜的方向加速前进。故需要外加速度负反馈以控制小车稳定在平衡位置。速度控制的任务主要有以下3个。
（1）小车速度的测量；
（2）通过小车直立控制实现小车倾角的改变；
（3）根据速度误差控制小车倾角。
小车速度的测量可以通过安装在电机输出轴上的光电编码器来实现。本系统采用的是100线的编码器，即编码器上面的齿轮转一圈，编码器可以输出100个脉冲。再利用单片机具有输入捕捉功能的引脚PT7对该脉冲进行采样。在固定时间内，输出脉冲越多，小车的速度就越快，这样就可以测量出小车的速度。
小车倾角的控制所示系统实现。从小车直立控制算法中可知，小车的倾斜角度与加速度计Z轴测量输出的角度成比例线性关系[5]。因此，设置一个倾角给定值，小车的倾角给定值与重力加速度Z轴角度相减，便可以最终决定小车的倾角，再通过误差的比例-积分控制使角度自动维持在设定值附近，最后再利用角速度和角度作为输入量，制作一个比例-积分控制器，从而驱动电机维持车模保持给定的倾角。
理论上，当小车向前倾角为45°时，速度为2 m/s[2]。但是在实际控制中，由于小车机械传动方面的阻尼力以及轮子的摩擦力等因素的影响，小车无法达到理论要求。为了解决这些干扰对小车速度的影响，需要采用速度负反馈的控制策略，形成一个闭环控制系统。
2.3 小车方向控制
为使车模沿着赛道行驶，必须检测赛道信息。本系统采用线性摄像头CCD-TSL1401实时采集赛道信息。TSL1401CL是由一个128×1的光电二极管阵列、电荷放大器电路和内部的像素数据保存器组成。它保存了从起始到停止时间的所有像素。操作简单，内部控制逻辑只需要串行输入信号SI和时钟CLK信号[6]。CCD检测采集赛道信息视角图。
CCD提取赛道信息后，将小车速度控制信号与直立控制信号综合，与赛道偏差检测信号进行加和减运算，形成左右轮差动控制电压，使得小车左右轮运行角速度不一致进而控制小车方向，。
3 小车控制系统算法编程
小车的程序控制几乎都是在1 ms时间的中断里完成，主函数只是在不断地通过串口向上位机发送数据，进行实时监控。其中，中断程序分别完成了小车的直立控制、速度控制和方向控制，通过全局标志量的循环计数，确定每次小车需要调用执行的程序模块。中断函数的实现。
其中，小车的直立控制是本系统设计与实现的关键，角度计算和转换函数的实现如下所示。
void AngleCalculate（void）
{
float fDeltaValue；
g_fGravityAngle=（VOLTAGE_GRAVITY-
GRAVITY_OFFSET）*
GRAVITY_ANGLE_RATIO；
//加速度传感器计算出来的角度值
g_fGravityAngle=LOW_PASS_Acce（g_fGravityAngle）；
//低通滤波
g_fGyroscopeAngleSpeed=（VOLTAGE_GYRO-
GYROSCOPE_OFFSET）*
GYROSCOPE_ANGLE_RATIO；
//陀螺仪计算出来的角速度值
g_fGyroscopeAngleSpeed=LOW_PASS_Gyro
（g_fGyroscopeAngleSpeed）；//低通滤波
g_fCarAngle=g_fGyroscopeAngleIntegral；
fDeltaValue=（g_fGravityAngle-g_fCarAngle）
/GRAVITY_ADJUST_TIME_CONSTANT；
//用加速度传感器得到的角度与陀螺仪的偏差，纠正陀螺仪的输出
g_fGyroscopeAngleIntegral+=（g_fGyroscopeAngleSpeed+
fDeltaValue）/
GYROSCOPE_ANGLE_SIGMA_FREQUENCY；
}
本文介绍了直立行走小车控制系统的实现原理，通过对小车的平衡控制、速度控制和方向控制，实现了小车的直立行走与自动循轨的功能。在本系统的设计与制作过程中，不仅是对控制系统的实现原理的分析，还是对传感器的合理使用，都为开展对两轮自平衡车的深入研究提供了宝贵的实践经验。此外，在2013年举行的全国大学生飞思卡尔智能车竞赛中，此作品参加了华南赛区比赛，并荣获三等奖。实践证明，本系统的设计具有一定的实际价值。
两轮自平衡小车控制系统的设计
摘 要： 介绍了两轮自平衡小车控制系统的设计与实现，系统以飞思卡尔公司的16位微控制器MC9S12XS128MAL作为核心控制单元，利用加速度传感器MMA7361测量重力加速度的分量，即小车的实时倾角，以及利用陀螺仪ENC-03MB测量小车的实时角速度，并利用光电编码器采集小车的前进速度，实现了小车的平衡和速度控制。在小车可以保持两轮自平衡前提下，采用摄像头CCD-TSL1401作为路径识别传感器，实时采集赛道信息，并通过左右轮差速控制转弯，使小车始终沿着赛道中线运行。实验表明，该控制系统能较好地控制小车平衡快速地跟随跑道运行，具有一定的实用性。
关键词： 控制；自平衡；实时性
近年来，随着经济的不断发展和城市人口的日益增长，城市交通阻塞以及耗能、污染问题成为了一个困扰人们的心病。新型交通工具的诞生显得尤为重要，两轮自平衡小车应运而生，其以行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。但是，昂贵的成本还是令人望而止步，成为它暂时无法广泛推广的一个重要原因。因此，开展对两轮自平衡车的深入研究，不仅对改善平衡车的性价比有着重要意义，同时也对提高我国在该领域的科研水平、扩展机器人的应用背景等具有重要的理论及现实意义。全国大学生飞思卡尔智能车竞赛与时俱进，第七届电磁组小车首次采用了两轮小车，模拟两轮自平衡电动智能车的运行机理。在此基础上，第八届光电组小车再次采用两轮小车作为控制系统的载体。小车设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械及能源等多个学科的知识。 1 小车控制系统总体方案
小车以16位单片机MC9S12XS128MAL作为中央控制单元，用陀螺仪和加速度传感器分别检测小车的加速度和倾斜角度[1]，以线性CCD采集小车行走时的赛道信息，最终通过三者的数据融合，作为直流电机的输入量，从而驱动直流电机的差速运转，实现小车的自动循轨功能。同时，为了更方便、及时地观察小车行走时数据的变化，并且对数据作出正确的处理，本系统调试时需要无线模块和上位机的配合。小车控制系统总体架构。
2 小车控制系统自平衡原理
两轮小车能够实现自平衡功能，并且在受到一定外力的干扰下，仍能保持直立状态，是小车可以沿着赛道自动循线行走的先决条件。为了更好地控制小车的行走方式，得到最优的行走路径，需要对小车分模块分析与控制。
本控制系统维持小车直立和运行的动力都来自小车的两个轮子，轮子转动由两个直流电机驱动。小车作为一个控制对象，它的控制输入量是两个电机的转动速度。小车运动控制可以分解成以下3个基本控制任务。
（1）小车平衡控制：通过控制两个电机正反方向运动保持小车直立平衡状态；
（2）小车速度控制：通过调节小车的倾斜角度来实现小车速度控制，本质上是通过控制电机的转速来实现小车速度的控制。
（3）小车方向控制：通过控制两个电机之间的转动差速实现小车转向控制。
2.1 小车平衡控制
要想实现小车的平衡控制，需要采取负反馈控制方式[2]。当小车偏离平衡点时，通过控制电机驱动电机实现加、减速，从而抵消小车倾斜的趋势，便可以保持车体平衡。即当小车有向前倾的趋势时，可以使电机正向加速，给小车一个向前的加速度，在回复力和阻尼力的作用下，小车不至于向前倾倒；当小车有向后倾的趋势时，可以使小车反向加速，给小车一个向后的加速度，从而不会让小车向后倾倒，。
从上述的定性分析可知，在运动过程中小车会不断地在平衡点附近来回摆动，如果控制不当，来回摆动的幅度会很大。显然，这样的控制不能满足两轮小车的实际要求，小车更无法按照赛道快速运行。为使小车可以在平衡点附近很好地保持平衡，需要对小车的加速度等进行严格地定量分析和计算。
直立着的小车能简化成放置在可以左右移动平台上的倒立着的单摆[3]。从图3可知，小车在偏离平衡位置时无法在不受外力的情况下稳定在平衡位置，是因为小车受到的回复力F=mgsinθ与小车位移偏离的方向相同，这样会加速使小车向偏离平衡的位置倒下。要想小车可以稳定在平衡位置，必须给小车额外增加一个和回复力相反方向的力。如果产生一个与小车偏离方向相同的加速度a，使小车受到额外的力F额外=-macosθ，此时小车所受到的合力为F合=mgsinθ-macosθ。只要F合<0，即F合的方向与小车偏离平衡位置的方向相反，小车就拥有了回复平衡位置的趋势，进而在空气阻力以及小车机械阻力的作用下，可以在一个平衡点稳定下来。
2.2 小车速度控制
两轮小车速度控制相对于4轮小车要复杂得多，因为在改变小车速度时，还需要保证小车可以实现平衡控制[4]。在保持小车平衡的前提下，采取改变小车倾角的方式来改变小车的速度。在一定范围内，当小车向前倾的角度越大时，小车前进的速度越大；当小车向后倾的角度越大时，小车前进的速度越小。
即使小车在直立控制调节下已经能够保持平衡，但由于安装误差的存在，传感器测量的角度与小车实际角度存在偏差，因此小车实际会在重力的作用下，朝倾斜的方向加速前进。故需要外加速度负反馈以控制小车稳定在平衡位置。速度控制的任务主要有以下3个。
（1）小车速度的测量；
（2）通过小车直立控制实现小车倾角的改变；
（3）根据速度误差控制小车倾角。
小车速度的测量可以通过安装在电机输出轴上的光电编码器来实现。本系统采用的是100线的编码器，即编码器上面的齿轮转一圈，编码器可以输出100个脉冲。再利用单片机具有输入捕捉功能的引脚PT7对该脉冲进行采样。在固定时间内，输出脉冲越多，小车的速度就越快，这样就可以测量出小车的速度。
小车倾角的控制所示系统实现。从小车直立控制算法中可知，小车的倾斜角度与加速度计Z轴测量输出的角度成比例线性关系[5]。因此，设置一个倾角给定值，小车的倾角给定值与重力加速度Z轴角度相减，便可以最终决定小车的倾角，再通过误差的比例-积分控制使角度自动维持在设定值附近，最后再利用角速度和角度作为输入量，制作一个比例-积分控制器，从而驱动电机维持车模保持给定的倾角。
理论上，当小车向前倾角为45°时，速度为2 m/s[2]。但是在实际控制中，由于小车机械传动方面的阻尼力以及轮子的摩擦力等因素的影响，小车无法达到理论要求。为了解决这些干扰对小车速度的影响，需要采用速度负反馈的控制策略，形成一个闭环控制系统。
2.3 小车方向控制
为使车模沿着赛道行驶，必须检测赛道信息。本系统采用线性摄像头CCD-TSL1401实时采集赛道信息。TSL1401CL是由一个128×1的光电二极管阵列、电荷放大器电路和内部的像素数据保存器组成。它保存了从起始到停止时间的所有像素。操作简单，内部控制逻辑只需要串行输入信号SI和时钟CLK信号[6]。CCD检测采集赛道信息视角图。
CCD提取赛道信息后，将小车速度控制信号与直立控制信号综合，与赛道偏差检测信号进行加和减运算，形成左右轮差动控制电压，使得小车左右轮运行角速度不一致进而控制小车方向，。
3 小车控制系统算法编程
小车的程序控制几乎都是在1 ms时间的中断里完成，主函数只是在不断地通过串口向上位机发送数据，进行实时监控。其中，中断程序分别完成了小车的直立控制、速度控制和方向控制，通过全局标志量的循环计数，确定每次小车需要调用执行的程序模块。中断函数的实现。
其中，小车的直立控制是本系统设计与实现的关键，角度计算和转换函数的实现如下所示。
void AngleCalculate（void）
{
float fDeltaValue；
g_fGravityAngle=（VOLTAGE_GRAVITY-
GRAVITY_OFFSET）*
GRAVITY_ANGLE_RATIO；
//加速度传感器计算出来的角度值
g_fGravityAngle=LOW_PASS_Acce（g_fGravityAngle）；
//低通滤波
g_fGyroscopeAngleSpeed=（VOLTAGE_GYRO-
GYROSCOPE_OFFSET）*
GYROSCOPE_ANGLE_RATIO；
//陀螺仪计算出来的角速度值
g_fGyroscopeAngleSpeed=LOW_PASS_Gyro
（g_fGyroscopeAngleSpeed）；//低通滤波
g_fCarAngle=g_fGyroscopeAngleIntegral；
fDeltaValue=（g_fGravityAngle-g_fCarAngle）
/GRAVITY_ADJUST_TIME_CONSTANT；
//用加速度传感器得到的角度与陀螺仪的偏差，纠正陀螺仪的输出
g_fGyroscopeAngleIntegral+=（g_fGyroscopeAngleSpeed+
fDeltaValue）/
GYROSCOPE_ANGLE_SIGMA_FREQUENCY；
}
本文介绍了直立行走小车控制系统的实现原理，通过对小车的平衡控制、速度控制和方向控制，实现了小车的直立行走与自动循轨的功能。在本系统的设计与制作过程中，不仅是对控制系统的实现原理的分析，还是对传感器的合理使用，都为开展对两轮自平衡车的深入研究提供了宝贵的实践经验。此外，在2013年举行的全国大学生飞思卡尔智能车竞赛中，此作品参加了华南赛区比赛，并荣获三等奖。实践证明，本系统的设计具有一定的实际价值。