龔成 南京工程學(xué)院

1 兩輪自平衡車(chē)簡(jiǎn)析探討

對(duì)于兩輪自平衡車(chē)而言，它是一種動(dòng)態(tài)的平衡機(jī)器人，其內(nèi)部中的兩輪共軸，獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，車(chē)身重心位于車(chē)輪軸的上方，從而可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)使其保持平衡，而不借助外力的作用進(jìn)行治理行走。在近一些年來(lái)，兩輪自平衡車(chē)它以靈活，便利，節(jié)能等諸多優(yōu)點(diǎn)使其在各個(gè)行業(yè)當(dāng)中得到了關(guān)注的使用。在本篇文章當(dāng)中，我們主要的簡(jiǎn)單的探討并且設(shè)計(jì)一臺(tái)兩輪小車(chē)，在進(jìn)行核心控制器的選擇上，主要是選擇飛思卡爾系統(tǒng)的MC9S12XS128 單片機(jī)，接著采用MMA7260 加速度計(jì)以及ENC03 陀螺儀為敏感元器件，從而在一定的程度上使其能夠?qū)崿F(xiàn)兩輪小車(chē)的平衡，接著在按照設(shè)計(jì)的速度以及小車(chē)速度的偏差，有效的控制電機(jī)的電壓從而實(shí)現(xiàn)速度的控制，接著使用電磁感應(yīng)線圈來(lái)對(duì)路徑信息進(jìn)行收集，按照按照徑路的彎曲控制有效的實(shí)現(xiàn)小車(chē)直立角度的變速控制。

2 系統(tǒng)的組成簡(jiǎn)析探討

在該兩輪自平衡車(chē)中選用的系統(tǒng)主要是飛思卡爾公司生產(chǎn)的16位雙核微型處理器MC9S12XS128，它主要是通過(guò)直立控制模塊，以及速度控制模塊，方向控制模塊，變速控制模塊這四個(gè)方面的模塊來(lái)進(jìn)行組成的。我們可以從圖1 當(dāng)中的內(nèi)容了解到，可以對(duì)鋪設(shè)在車(chē)道中心的銅線對(duì)其進(jìn)行通交流電，從而在一定的程度上使其車(chē)道出現(xiàn)交變磁場(chǎng)的情況發(fā)生。并且小車(chē)也可以通過(guò)這一種磁場(chǎng)有效的行駛在車(chē)道當(dāng)中，另外我們還可以了解到在直立控制模塊當(dāng)中，它包含有著陀螺儀以及加速度計(jì)，都是安裝在小車(chē)的中心偏下位置當(dāng)中，從而使其小車(chē)能夠在行駛的過(guò)程當(dāng)中保持較好的直立狀態(tài)。另外相應(yīng)的速度控制模塊它主要是需要安裝在左右輪的編碼器中，對(duì)其進(jìn)行測(cè)速，當(dāng)測(cè)試出來(lái)的結(jié)果還需要與前期設(shè)定速度兩者進(jìn)行有效的比較。并且方向控制模塊通過(guò)安裝于小車(chē)運(yùn)動(dòng)其那方探測(cè)支架上的左右兩電磁傳感器當(dāng)中，其能夠有效的掌控兩輪實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)彎的效果，在這一個(gè)過(guò)程當(dāng)中，我們需要通過(guò)一定的運(yùn)算從而對(duì)其有效的調(diào)節(jié)小車(chē)的傾角大小，能控制小車(chē)行進(jìn)加速度的變化。

圖1 系統(tǒng)總體框架分析

3 兩輪自平衡車(chē)內(nèi)部各個(gè)模塊簡(jiǎn)析探討

3.1 直立控制模塊分析

對(duì)于小車(chē)而言，它的智力控制是行走的基礎(chǔ)，在本篇文章當(dāng)中小車(chē)它主要是通過(guò)ENC03 陀螺儀收集到的角速度，來(lái)對(duì)其進(jìn)行分析，從而得出的角度值使其作為脈沖寬度調(diào)制的比例系數(shù)控制電機(jī)，來(lái)在一定的程度上使其能夠有效的控制兩輪車(chē)的直立形式。在這一個(gè)過(guò)程當(dāng)中，得出的角度值需要在每隔一定時(shí)間便于加速度計(jì)收集到的角度值進(jìn)行有效的比較，從而使其能夠消除陀螺儀帶來(lái)的誤差以及偏差量，讓陀螺儀能夠更好的對(duì)其進(jìn)行追蹤加速度計(jì)所測(cè)試得出的瞬時(shí)角度值。

但是在這一個(gè)過(guò)程當(dāng)中我們需要了解到，如果角速度的間隔時(shí)間太長(zhǎng)的話，也不能很好地反應(yīng)出車(chē)模的角度變化狀態(tài)，但是如果時(shí)間過(guò)短也不能很好的消除陀螺儀的噪聲影響效果。因此我們?cè)谶M(jìn)行一定的實(shí)驗(yàn)之后可以發(fā)現(xiàn)，使其時(shí)間能夠控制在4MS 的時(shí)候效果是最好的。而且陀螺儀的加速度計(jì)進(jìn)行比較的時(shí)間太多，則不能很好的跟蹤加速度計(jì)的值，若是太短則會(huì)給人帶來(lái)加速度計(jì)的噪聲，因此在的那個(gè)當(dāng)前我們需要了解到陀螺儀的積分結(jié)果能夠很好的跟蹤加速度計(jì)輸出的角度值，并且在內(nèi)部中進(jìn)行輸出的數(shù)據(jù)較為平穩(wěn)的話，則能很好的反映出車(chē)模的瞬時(shí)角度值需求。

3.2 速度控制模塊分析

對(duì)于速度控制模塊而言，它主要是在小車(chē)進(jìn)行直立行駛的基礎(chǔ)上，提供在小車(chē)內(nèi)部設(shè)立一個(gè)速度，從而將編碼器測(cè)試得出的實(shí)際速度與設(shè)計(jì)速度兩者進(jìn)行有效的比較，并且在最后將比較得出的結(jié)果作為反饋量來(lái)進(jìn)行分析，從而有效的控制PWM 的輸出，使得小車(chē)能夠按照設(shè)定速度來(lái)進(jìn)行有效的實(shí)行。

對(duì)于MC9S12XS128 這一個(gè)類型的單片機(jī)來(lái)講，它的內(nèi)部系統(tǒng)中只有一路脈沖計(jì)數(shù)器，那么在這一個(gè)過(guò)程中，我們主要是使用分時(shí)測(cè)速的方式來(lái)對(duì)小車(chē)的左右輪速度進(jìn)行測(cè)量。并且按照?qǐng)D2 當(dāng)中的內(nèi)容，我們可以了解到，在左輪以及右輪當(dāng)中，它主要是通過(guò)從BY 以及BX 這兩個(gè)端口來(lái)進(jìn)行輸入的，并且從BXY 輸出并且加載到單片機(jī)的計(jì)數(shù)段中，來(lái)進(jìn)行有效的選擇。

圖2 分時(shí)測(cè)試電路圖分析

3.3 方向控制模塊分析

我們可以從圖3 當(dāng)中的內(nèi)容了解到，小車(chē)的運(yùn)行方向主要是通過(guò)差速來(lái)進(jìn)行控制的，并且通過(guò)測(cè)試左右兩電磁感應(yīng)線圈的電壓數(shù)值，對(duì)這兩個(gè)數(shù)值的和以及差讓其能夠加載到外輪以及內(nèi)輪的p WM 中進(jìn)行輸出，從而使其能夠在一定程度上有效的實(shí)現(xiàn)小車(chē)的差速控制。

圖3 小車(chē)的方向控制

3.4 變速模塊分析

我們可以了解到電磁兩輪自平衡小車(chē)，它的速度控制是一個(gè)重要的難點(diǎn)，因此我們可以知道當(dāng)小車(chē)在直立的狀態(tài)下進(jìn)行向前或者向后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，所造成的傾角大小將會(huì)直接的營(yíng)銷(xiāo)到電機(jī)電壓的大小。因此在當(dāng)前，我們需要通過(guò)有效的掌控小車(chē)的傾角從而實(shí)現(xiàn)控制車(chē)子的加速度。在這一個(gè)過(guò)程當(dāng)中我們采用的方式主要是通過(guò)設(shè)定一個(gè)限制值使其它能夠作為加速以及減速的分界線，將左右電磁傳感器測(cè)量的電壓只差以及電壓之和對(duì)其進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，使其能夠得出左右傳感歸一的差值。接著我們?cè)趯⑦@一個(gè)差值使其讓它能夠與設(shè)定好的限制值兩者進(jìn)行有效的比較，若是在比較的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)超過(guò)限制值則應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行減速，直到小車(chē)運(yùn)動(dòng)方向與車(chē)道上的電磁定向銅線方向進(jìn)行一致，反之則需要對(duì)其進(jìn)行加速前進(jìn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

大體的說(shuō)來(lái)，在本篇文章當(dāng)中，我們主要是簡(jiǎn)單的探討了兩輪自平衡小車(chē)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想以及實(shí)現(xiàn)方式，從而系統(tǒng)當(dāng)中的直立控制模塊，速度控制模塊，方向控制模塊以及變速模塊等幾個(gè)方面進(jìn)行著手，并且對(duì)這一些模塊中的軟硬件進(jìn)行了有效的分析，也給出了相關(guān)的內(nèi)容。因此我們可以了解到在本篇文章當(dāng)中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是十分合理的，它能夠有效的幫助兩輪自平衡車(chē)的使用以及應(yīng)用。