呂 強(qiáng)，王 平，張皓潔

(杭州電子科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 杭州 310018)

·儀器設(shè)備研制與開發(fā)·

獨(dú)輪車自平衡控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

呂 強(qiáng)，王 平，張皓潔

(杭州電子科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 杭州 310018)

獨(dú)輪車自平衡控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是針對(duì)“微型機(jī)器人與C51應(yīng)用”實(shí)踐類課程開發(fā)的一種嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)由獨(dú)輪車、嵌入式控制系統(tǒng)以及上位機(jī)軟件組成。獨(dú)輪車在靜止?fàn)顟B(tài)下是不能保持平衡狀態(tài)的，它需要通過(guò)編寫單片機(jī)程序控制慣性飛輪和行走輪的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，協(xié)調(diào)獨(dú)輪車的橫滾方向和俯仰方向的姿態(tài)，使得獨(dú)輪車保持平衡狀態(tài)。上位機(jī)軟件通過(guò)藍(lán)牙來(lái)接收當(dāng)前獨(dú)輪車橫滾角度以及俯仰角度，并設(shè)置嵌入式系統(tǒng)中控制算法的參數(shù)。該平臺(tái)有助于學(xué)生深入了解嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及程序開發(fā)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

獨(dú)輪車； 自平衡； 控制系統(tǒng)； 嵌入式系統(tǒng)

0 引 言

“微型機(jī)器人與C51應(yīng)用”是面向本科生開辦的一門實(shí)踐類課程，用以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)器人相關(guān)知識(shí)的興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)后續(xù)的基礎(chǔ)理論課程，服務(wù)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對(duì)高素質(zhì)人才的需求[1-2]。為了讓學(xué)生能夠更好地掌握這門課程中的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，以及鍛煉學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，本文開發(fā)了獨(dú)輪車自平衡控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。作為一種比較特殊的輪式移動(dòng)機(jī)器人，獨(dú)輪車最顯著的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是只有一個(gè)車輪支撐，具有靜態(tài)不穩(wěn)定性，是一種典型的自平衡機(jī)器人。在該平臺(tái)上可以開展嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、機(jī)器人學(xué)、控制理論等課程的實(shí)踐教學(xué)[3]。

獨(dú)輪自平衡車的發(fā)展可以追溯到1987年，Schoonwinkel[4]開發(fā)了第一款獨(dú)輪自平衡車。Vos等[5]在Schoonwinkel的獨(dú)輪自平衡車的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了線性二次調(diào)節(jié)器。Sheng等[6]開發(fā)了一種閉環(huán)鏈結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪車。郭磊等[7]設(shè)計(jì)了一種采用轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪自平衡車。Lee等[8]基于反向作用力的原理在該車的左右兩端分別安裝了一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)橫滾方向平衡。近年來(lái)，一種采用慣性飛輪配合行走輪的結(jié)構(gòu)吸引了國(guó)內(nèi)外科學(xué)家和工程師的目光，這類獨(dú)輪車主要參考了雜技演員走鋼絲時(shí)通過(guò)旋轉(zhuǎn)平衡桿保持平衡的原理，設(shè)計(jì)了慣性飛輪代表平衡桿，用來(lái)保持橫滾方向平衡，行走輪代表雜技演員的運(yùn)動(dòng)，保持俯仰方向的平衡。這樣獨(dú)輪車體由三部分組成，最上面的慣性飛輪，調(diào)節(jié)橫滾方向平衡；中間車體框架和最下面的行走輪，調(diào)節(jié)俯仰方向平衡。平衡的主要原理是根據(jù)慣性飛輪和行走輪的來(lái)回加速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的反向作用力，來(lái)補(bǔ)償車體的傾斜，從而保持了車體的平衡[9-10]。

本文開發(fā)了獨(dú)輪車自平衡控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由獨(dú)輪車、嵌入式控制系統(tǒng)和上位機(jī)軟件三部分組成。獨(dú)輪車是整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的關(guān)鍵組成部分，它包括車體構(gòu)架、電池、慣性飛輪、行走輪等。嵌入式系統(tǒng)則由控制器、角度傳感器、電源模塊、藍(lán)牙模塊、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和控制及驅(qū)動(dòng)程序組成。上位機(jī)軟件可通過(guò)藍(lán)牙和嵌入式系統(tǒng)通信，獲取車體在俯仰軸和橫滾軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，并可設(shè)置嵌入式系統(tǒng)中控制算法的參數(shù)[11-17]。

1 獨(dú)輪車的機(jī)械結(jié)構(gòu)

獨(dú)輪車俯仰方向是通過(guò)行走輪加減速運(yùn)動(dòng)來(lái)保持平衡；獨(dú)輪車橫滾方向上是通過(guò)慣性飛輪旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)平衡控制。所以，獨(dú)輪車最主要的兩個(gè)組件就是行走輪與慣性飛輪。獨(dú)輪車的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 獨(dú)輪車的機(jī)械結(jié)構(gòu)

從圖1可以看出，獨(dú)輪車由三部分組成：① 慣性飛輪。慣性飛輪被放置于獨(dú)輪車頂端，并通過(guò)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，主要保持獨(dú)輪車的橫滾方向平衡。② 行走輪。行走輪由電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪驅(qū)動(dòng)，用于保持獨(dú)輪車俯仰方向的平衡。③ 車體。車體連接慣性飛輪和行走輪，并可安裝嵌入式控制模塊等。需要說(shuō)明的是，車體主要由亞克力板制作，支架、平臺(tái)是由2、3 mm以及5 mm厚度的亞克力材料黏合起來(lái)的。

獨(dú)輪車的正視圖和側(cè)視圖分別如圖2和3所示，其輪廓尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為：103 mm×75 mm×250 mm；慣性飛輪外徑為108 mm，內(nèi)徑為84 mm；行走輪外徑為60 mm，內(nèi)徑為11 mm。

圖2 獨(dú)輪車正視圖圖3 獨(dú)輪車側(cè)視圖

為了使獨(dú)輪車在電動(dòng)機(jī)力矩控制下，保持平衡狀態(tài)，需要控制獨(dú)輪車每一部分的質(zhì)量。部件的質(zhì)量：輪車254 g，慣性飛輪45 g，電路板54 g，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)24 g，電池12 g。

從圖2、3可以看出，獨(dú)輪車無(wú)法保持靜態(tài)平衡，但可以通過(guò)行走輪和慣性飛輪的旋轉(zhuǎn)保持獨(dú)輪車的平衡狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

獨(dú)輪車自平衡控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由下位機(jī)和上位機(jī)兩部分組成。其中，下位機(jī)由獨(dú)輪車和嵌入式控制系統(tǒng)組成。通過(guò)角度傳感器檢測(cè)車體的俯仰和橫滾方向的傾斜角度，然后由姿態(tài)處理算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、濾波等處理，并由平衡控制算法計(jì)算為保持小車平衡，慣性飛輪和行走輪需要的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，然后由運(yùn)動(dòng)控制算法控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。上位機(jī)則通過(guò)藍(lán)牙接收獨(dú)輪車的慣性飛輪和行走輪的角度狀態(tài)，并可以通過(guò)上位機(jī)對(duì)獨(dú)輪車控制算法參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖4給出了獨(dú)輪車自平衡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖4 獨(dú)輪車自平衡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1獨(dú)輪車嵌入式系統(tǒng)

獨(dú)輪車的控制電路主要包括控制器、角度傳感器、電源模塊、藍(lán)牙模塊及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊?？刂菩酒捎昧薃RM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F10系列微控制器，角度傳感器是MPU6050，慣性飛輪和行走輪的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)使用了SPG20-1372和SPG20-1308，UCN5804是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，這些部件的連接關(guān)系如圖5所示。

圖5 硬件設(shè)計(jì)框圖

(1) 單片機(jī)最小系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求：控制芯片體積小、功耗低、速度快和容量大。因此，STM32F103RCT6 芯片被確定為控制器，該芯片具有ARM Cortex-M3內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，運(yùn)算速度的要求得到保證；此外，該芯片有48KB SRAM、 256KB FLASH，可以滿足存儲(chǔ)容量的要求；并且有8個(gè)定時(shí)器，片內(nèi)資源豐富。因此，選用該芯片可以滿足獨(dú)輪車運(yùn)算量大、外圍器件多、功能復(fù)雜和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等需求。

(2) 角度傳感器。要保持獨(dú)輪車的平橫狀態(tài)，需要獲得獨(dú)輪車的俯仰和橫滾方向的角度。在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上， InvenSense 公司的MPU6050被確定為角度傳感器。MPU6050由三軸陀螺儀傳感器和三軸加速度傳感器組成。它通過(guò)數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP，輸出四元數(shù)，再轉(zhuǎn)換為歐拉角，通過(guò)I2C將獨(dú)輪車的傾角發(fā)給控制器。

(3) 電源模塊。獨(dú)輪車的電源模塊由兩部組成：① 升壓模塊，用于給12 V的驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電；② 穩(wěn)壓模塊，用于給3.3 V控制器和其他功能部件供電。考慮獨(dú)輪車的質(zhì)量分布以及供電要求，電源由4節(jié)1.2 V充電電池串聯(lián)而成。

(4) 藍(lán)牙模塊。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用了藍(lán)牙模塊，它的主要功能：① 將獨(dú)輪車橫滾方向和俯仰方向的傾斜角度發(fā)送給上位機(jī)；② 將上位機(jī)設(shè)定的控制器參數(shù)傳送給嵌入式系統(tǒng)。通過(guò)藍(lán)牙通信，學(xué)生可以方便地調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)，觀察不同參數(shù)的控制效果，有助于學(xué)生對(duì)控制器參數(shù)整定方法的學(xué)習(xí)。

(5) 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。在獨(dú)輪車中，使用了2個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)慣性飛輪和行走輪，用來(lái)保持獨(dú)輪車的橫滾方向和俯仰方向的平衡。需要說(shuō)明的是，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)而不是直流電動(dòng)機(jī)。主要原因是，采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以通過(guò)脈沖信號(hào)的頻率控制轉(zhuǎn)速，并且可以開環(huán)控制，不用再做復(fù)雜的三閉環(huán)控制，符合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求。并且步進(jìn)電動(dòng)機(jī)質(zhì)量輕，體積小，易于安裝。因此，四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)SPG20-1372、SPG20-1308被選用驅(qū)動(dòng)慣性飛輪和行走輪。

由于控制器引腳電流太小，不能直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，故需要安裝電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。此外，采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的另一個(gè)好處是，可以隔離電動(dòng)機(jī)對(duì)控制器的沖擊電流，防止控制器損壞。因此，采用UCN5804 作為四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)SPG20-1372以及SPG20-1308的驅(qū)動(dòng)器。這類驅(qū)動(dòng)芯片可以很好進(jìn)行功率放大，并有效保護(hù)控制器。

(6) 控制系統(tǒng)實(shí)物。嵌入式控制系統(tǒng)的尺寸為62.5 mm×75 mm，如圖6所示。圖中，具體標(biāo)明了電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、藍(lán)牙模塊、角度傳感器和升壓模塊。

圖6 嵌入式控制系統(tǒng)實(shí)物圖

2.2獨(dú)輪車上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件的主要功能包括：① 實(shí)時(shí)顯示獨(dú)輪車的俯仰和橫滾方向的傾斜角度；② 在線設(shè)定嵌入式系統(tǒng)中控制算法的參數(shù)。獨(dú)輪車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上位機(jī)軟件，是在.NET Framework 3.0下，采用C#語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。WPF(Windows Presentation Foundation)是.NET Framework 3.0的一個(gè)功能組件，它具有數(shù)據(jù)綁定的特點(diǎn)，可以減少后臺(tái)代碼編寫。并且，該組件非常便于UI設(shè)計(jì)，能夠做到界面設(shè)計(jì)和后臺(tái)代碼編寫的分隔。

圖7顯示了本文設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件界面。從圖中可以看出，左半部采用了2個(gè)圖形界面，用來(lái)顯示嵌入式系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送來(lái)的獨(dú)輪車俯仰和橫滾方向的傾斜角度。該圖形界面能夠?qū)崟r(shí)顯示獨(dú)輪車的平衡狀態(tài)，便于觀察實(shí)驗(yàn)效果。軟件界面的中間部分顯示PID控制算法中，比例、積分和微分系數(shù)的設(shè)定情況，通過(guò)改變PID控制算法的參數(shù)，觀察獨(dú)輪車的平衡狀態(tài)，有利于學(xué)生了解參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，深刻理解PID控制算法的參數(shù)整定方法。軟件界面的右邊部分，包括了串口的設(shè)定，用于上位機(jī)和獨(dú)輪車嵌入式系統(tǒng)的通信。串口設(shè)定主要包括端口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位和停止位，以及打開串口和和關(guān)閉串口功能。由于采用了串口通信，故在數(shù)據(jù)傳輸中，需要將數(shù)據(jù)位組合好后，再進(jìn)行解析，理解數(shù)據(jù)的含義。

圖7 上位機(jī)界面

3 基于PID控制的獨(dú)輪車自平衡實(shí)驗(yàn)

采用2個(gè)PID控制算法分別控制慣性飛輪和行走輪的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，如圖8所示。

圖8 PID控制方框圖

獨(dú)輪車在橫滾方向和俯仰方向的傾斜角度變化曲線如圖9和10所示。需要說(shuō)明的是，在通電啟動(dòng)初期，角度傳感器需要陀螺儀傳感器以及加速度計(jì)的數(shù)據(jù)來(lái)校正，所以在圖9和10開始階段，有一個(gè)角度突變的過(guò)程，一旦角度傳感器校正完成，開始正常工作， 獨(dú)輪車在橫滾和俯仰方向的角度在平衡狀態(tài)上下變化。此外，還可以看出，橫滾軸上角度的變化相對(duì)較小，俯仰軸上角度的變化相對(duì)較大。主要的原因是，橫滾方向，系統(tǒng)受到的外界擾動(dòng)較??；而俯仰方向，系統(tǒng)受到的外界擾動(dòng)較大。

在獨(dú)輪車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，主要采用PID控制方法實(shí)現(xiàn)獨(dú)輪車的平衡狀態(tài)，學(xué)生可以通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)PID控制器參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，了解PID控制算法的控制效果。在PID控制算法的基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步采用其他控制方法，拓展學(xué)生的視野，調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)控制方法及機(jī)器人學(xué)的學(xué)習(xí)積極性。

圖9 橫滾軸角度

圖10 俯仰軸角度

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)“微型機(jī)器人與C51應(yīng)用”課程而開發(fā)的獨(dú)輪車自平衡控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有以下特點(diǎn)：

(1) 實(shí)用性。獨(dú)輪車自平衡控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，小巧、輕便、成本低廉、便于攜帶、易于演示。保持獨(dú)輪車平衡性是學(xué)生設(shè)計(jì)與開發(fā)的關(guān)注點(diǎn)，因此，獨(dú)輪車的開發(fā)與設(shè)計(jì)要求學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，程序編寫方法，以及簡(jiǎn)單控制參數(shù)的設(shè)定。這樣就能夠有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，更好地輔助課堂教學(xué)。

(2) 系統(tǒng)性。獨(dú)輪車自平衡控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)涉及到了下位機(jī)和上位機(jī)的開發(fā)，使學(xué)生對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)有了一個(gè)直觀的印象，了解上位機(jī)和下位機(jī)的基本概念，明確上位機(jī)和下位機(jī)之間通信的方式，為學(xué)生今后的工程實(shí)踐打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(3) 綜合性。獨(dú)輪車自平衡控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為高等院校的實(shí)踐平臺(tái)，不但可以用于“微型機(jī)器人與C51應(yīng)用”課程，而且可以用于機(jī)器人學(xué)、控制理論、系統(tǒng)辨識(shí)、運(yùn)動(dòng)控制等課程的教學(xué)實(shí)踐工作。同時(shí)也可作為科研院所的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在該平臺(tái)的基礎(chǔ)上，可以展開系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析與建模、控制算法驗(yàn)證、人工智能等方面的研究，為本科生和研究生提供科研創(chuàng)新平臺(tái)。

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Design of Self-balance Control System Platform of Unicycles

LüQiang,WANGPing,ZHANGHaojie

(School of Automation,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

An experimental platform of self-balance control systems of unicycles,which is an embedded experimental platform,is developed for the class "Small Robot and Applications of C51".This platform consists of a unicycle,an embedded control system,and an upper software.At normal conditions,a unicycle cannot keep balance without control input; however,it can keep balance by controlling angular moments of flywheel and moving wheel at the roll axis and pitch axis.The upper software is used to receive angle information of flywheel and moving wheel and to set the parameters of control algorithm in embedded systems.The platform is helpful for students to learn the design of embedded systems and programming.Moreover,the platform is also helpful for students to train their engineering ability.

unicycles; self-balance; control systems; embedded systems

2016-10-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61375104)；杭州電子科技大學(xué)2016年高等教育研究資助項(xiàng)目(YB201661)

呂 強(qiáng)(1977-)，男，遼寧撫順人，副教授，研究方向?yàn)樾畔⒒虒W(xué)資源開發(fā)與應(yīng)用，多機(jī)器人合作控制。

Tel.：13819139153; E-mail：lvqiang@hdu.edu.cn

TP 242.3

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1006-7167(2017)07-0035-04