王麗華　楊秀萍　王皓　高崢翔

摘要：智能雙輪平衡車，其以簡便和體積小等特點逐漸成為人們出行的最愛，但由于這種交通工具的平衡控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，加上其包含的非線性和搶不穩(wěn)定性等特點，使得傳統(tǒng)的PID控制模式很難滿足人們的需求，本文對當(dāng)前智能雙輪平衡車的設(shè)計進(jìn)行了簡單的介紹。

關(guān)鍵詞：智能雙輪平衡車；設(shè)計；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0140-01

針對環(huán)境保護(hù)而設(shè)計的智能雙輪平衡車，其以存放方便和無污染而逐漸受到人們的重視，但由于該交通工具的技術(shù)含量較高，其在設(shè)計中存在的一些問題還無法得到有效的解決。本文作者通過自身的研究對當(dāng)前智能雙輪平衡車的硬件設(shè)計和軟件功能等進(jìn)行了簡單的分析，并提出了一些改善智能雙輪平衡車控制效果的對策。

1 現(xiàn)狀分析

對于雙輪平衡車的研究工作，我國同國外發(fā)達(dá)國家相比起步要晚一些，近些年隨著我國對新能源交通工具的重視程度增加，雙輪平衡車的研究也在逐漸深入，其作為一種特殊的交通工具，國家在政策方面的支持和輔助較強(qiáng)。通過大量的實驗研究和驗證，我國在2003年推出了第一款雙輪平衡車，這標(biāo)志著我國進(jìn)入到了雙輪平衡車的運行和應(yīng)用階段，隨著我國PID算法的深入研究，雙輪平衡車的應(yīng)用性也在逐漸提高。

2 智能雙輪平衡車的電路硬件設(shè)計

2.1 電路總體設(shè)計

對于智能雙輪平衡車，其電路主要包含電源和控制芯片等內(nèi)容，對于不同的模組，其采用的電路設(shè)計模式不同，對于其主控芯片，其在當(dāng)前采用的是32位的微控制器，這種控制器的工作頻率在150MHz。對于微控制器，在運行過程中主要是通過ENC03和MMA7361對雙輪車運行過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后通過內(nèi)部的程式對其進(jìn)行數(shù)據(jù)計算和分析，從而實現(xiàn)對雙輪平衡車的智能化控制，保證雙輪平衡車的正常運行[1]。

2.2 主要硬件選擇

對于智能雙輪平衡車的主要硬件選擇，其具有較高的要求，像陀螺儀和加速度計方面的選擇，其一般采用的是當(dāng)前比較先進(jìn)的飛思卡爾MMA7361芯片，該芯片能對雙輪車運行過程中遇到的各種環(huán)境進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)分析，并通過計算度傳感器將地球引力以及物體運行過程中所產(chǎn)生的加速度數(shù)據(jù)傳遞到控制芯片中。對于MMA7361芯片，其采用的是半導(dǎo)體表面微加工技術(shù)，該技術(shù)中電路技術(shù)集成到小小的芯片上，然后通過傳感器收集雙輪平衡車運行過程中的各種數(shù)據(jù)資料，并對其進(jìn)行分析。對于測速模塊，其采用的是光點碼盤，這種光點碼盤自帶相位差，能夠通過上面的FTM模塊對雙輪車的正反轉(zhuǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。最后則是雙輪平衡車的電機(jī)驅(qū)動方面，其采用的是驅(qū)動芯片和大功率MOSFET，在運行過程中其能夠通過高速光耦對雙輪平衡車的輸入信號進(jìn)行隔離，從而防止了運行過程中驅(qū)動面板對控制面板的干擾，保證雙輪平衡車運行和控制的穩(wěn)定性。

3 雙輪平衡車的控制程度算法

對于本次設(shè)計的智能雙輪平衡車，其控制算法采用的是IAR開發(fā)工具，這種開發(fā)工具能夠保證平衡雙輪車在運行過程中控制程序的邏輯化運行，其首先從主程序開始進(jìn)行，通過初始化程序?qū)χ悄芷胶怆p輪車的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，同時通過程序中的實時中斷功能對平衡程序進(jìn)行運算。而對于程序中的初步直立功能，采用的是陀螺儀和加速度計的結(jié)合來實現(xiàn)的，對于本次研究，其是通過MMA7361芯片和ENC03的角度互補(bǔ)來對雙輪平衡車的角度進(jìn)行計算和控制，保證平衡雙輪車運行過程中的參數(shù)合理性。在雙輪平衡車運行的過程中，通過對電機(jī)的平均電壓進(jìn)行控制能夠給予平衡雙輪車合適的加速度，保證運行過程中雙輪車的直立狀態(tài)。而在傾角的作用模式下，平衡車還能夠獲得用戶需要方向的加速度，從而保證雙輪平衡車的正常運行。為了保證雙輪平衡車運行過程中的穩(wěn)定性，我們通過雙閉環(huán)系統(tǒng)對雙輪平衡車的直立狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，保證其在直立狀態(tài)下獲得對應(yīng)的加速度。對于雙輪平衡車，其在當(dāng)前的應(yīng)用范圍較廣，但由于其控制難度較大，因此，在進(jìn)行控制算法的設(shè)計時，為了提高控制效率，降低控制難度，可以采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法取代當(dāng)前的PID算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具有一定的自學(xué)能力，其能夠根據(jù)環(huán)境參數(shù)的變化進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，是控制數(shù)據(jù)不斷向著非線性系統(tǒng)變化，提高雙輪平衡車的控制效果。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和PID控制系統(tǒng)的結(jié)合，能夠使雙輪平衡車適應(yīng)更加復(fù)雜的環(huán)境，提高其應(yīng)用范圍[2]。

4 智能雙輪平衡車的調(diào)試

4.1 調(diào)試工具

對于智能雙輪平衡車，其在本次研究中采用的是J-Link進(jìn)行仿真模擬，為了實現(xiàn)調(diào)試參數(shù)的真實性，在進(jìn)行調(diào)試的過程中將示波器的一些數(shù)據(jù)設(shè)置為固定值，然后通過虛擬數(shù)據(jù)圖像將數(shù)據(jù)的變化情況進(jìn)行清晰的展示。在進(jìn)行智能雙輪平衡車的設(shè)計工作時，其軟件的調(diào)試工作時保證智能雙輪平衡車正常運行的重要內(nèi)容，通過IAR編程環(huán)境的使用，其能夠在在線讀取硬件的狀態(tài)下對雙輪車中的各項參數(shù)進(jìn)行測試，保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。

4.2 調(diào)試思想

對于當(dāng)前的雙輪平衡車，其在進(jìn)行調(diào)試是選擇的主要方式是PID調(diào)試方法，這種調(diào)試方法在調(diào)試的過程中需要調(diào)試的內(nèi)容相對較多，具體的調(diào)試內(nèi)容為：在進(jìn)行調(diào)試前，首先需要保證雙輪平衡車保持在直立狀態(tài)，然后根據(jù)陀螺儀以及加速度計對雙輪平衡車的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。而而在具體的調(diào)試過程中，首先需要調(diào)試的參數(shù)為P參數(shù)，其次是I參數(shù)的調(diào)整，最后則是對D參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。為了保證平衡車在運行過程中能夠保持長期的穩(wěn)定性，在對雙輪平衡車的加速度進(jìn)行調(diào)整是需要采用PI調(diào)整模式，這樣才能夠保證雙輪平衡車使用過程中的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

綜合上述所說，對于智能雙輪平衡車的設(shè)計，其需要對硬件和軟件以及信號等進(jìn)行全面的調(diào)整和修改，調(diào)試則是采用J-Link對雙輪平衡車的正常情況進(jìn)行確定，而在軟件部分，其調(diào)整主要是對傳感器的信號傳輸功能進(jìn)行調(diào)整，保證雙輪平衡車運行過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及平衡性等。

參考文獻(xiàn)

[1]林楓，蔡延光.雙輪自平衡車的雙閉環(huán)式PID控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2017，（06）：73-75.

[2]秦富康，孟凡曦.基于線性CCD的雙輪平衡車控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2016，（04）：38-40.

[3]賴義漢，王凱.基于MPU6050的雙輪平衡車控制系統(tǒng)設(shè)計[J].河南工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，（01）：53-57.