两轮自平衡车控制系统的研究
2019-08-15龚成南京工程学院
龚成 南京工程学院
1 两轮自平衡车简析探讨
对于两轮自平衡车而言，它是一种动态的平衡机器人，其内部中的两轮共轴，独立驱动，车身重心位于车轮轴的上方，从而可以通过运动使其保持平衡，而不借助外力的作用进行治理行走。在近一些年来，两轮自平衡车它以灵活，便利，节能等诸多优点使其在各个行业当中得到了关注的使用。在本篇文章当中，我们主要的简单的探讨并且设计一台两轮小车，在进行核心控制器的选择上，主要是选择飞思卡尔系统的MC9S12XS128 单片机，接着采用MMA7260 加速度计以及ENC03 陀螺仪为敏感元器件，从而在一定的程度上使其能够实现两轮小车的平衡，接着在按照设计的速度以及小车速度的偏差，有效的控制电机的电压从而实现速度的控制，接着使用电磁感应线圈来对路径信息进行收集，按照按照径路的弯曲控制有效的实现小车直立角度的变速控制。
2 系统的组成简析探讨
在该两轮自平衡车中选用的系统主要是飞思卡尔公司生产的16位双核微型处理器MC9S12XS128，它主要是通过直立控制模块，以及速度控制模块，方向控制模块，变速控制模块这四个方面的模块来进行组成的。我们可以从图1 当中的内容了解到，可以对铺设在车道中心的铜线对其进行通交流电，从而在一定的程度上使其车道出现交变磁场的情况发生。并且小车也可以通过这一种磁场有效的行驶在车道当中，另外我们还可以了解到在直立控制模块当中，它包含有着陀螺仪以及加速度计，都是安装在小车的中心偏下位置当中，从而使其小车能够在行驶的过程当中保持较好的直立状态。另外相应的速度控制模块它主要是需要安装在左右轮的编码器中，对其进行测速，当测试出来的结果还需要与前期设定速度两者进行有效的比较。并且方向控制模块通过安装于小车运动其那方探测支架上的左右两电磁传感器当中，其能够有效的掌控两轮实现差速转弯的效果，在这一个过程当中，我们需要通过一定的运算从而对其有效的调节小车的倾角大小，能控制小车行进加速度的变化。
图1 系统总体框架分析
3 两轮自平衡车内部各个模块简析探讨
3.1 直立控制模块分析
对于小车而言，它的智力控制是行走的基础，在本篇文章当中小车它主要是通过ENC03 陀螺仪收集到的角速度，来对其进行分析，从而得出的角度值使其作为脉冲宽度调制的比例系数控制电机，来在一定的程度上使其能够有效的控制两轮车的直立形式。在这一个过程当中，得出的角度值需要在每隔一定时间便于加速度计收集到的角度值进行有效的比较，从而使其能够消除陀螺仪带来的误差以及偏差量，让陀螺仪能够更好的对其进行追踪加速度计所测试得出的瞬时角度值。
但是在这一个过程当中我们需要了解到，如果角速度的间隔时间太长的话，也不能很好地反应出车模的角度变化状态，但是如果时间过短也不能很好的消除陀螺仪的噪声影响效果。因此我们在进行一定的实验之后可以发现，使其时间能够控制在4MS 的时候效果是最好的。而且陀螺仪的加速度计进行比较的时间太多，则不能很好的跟踪加速度计的值，若是太短则会给人带来加速度计的噪声，因此在的那个当前我们需要了解到陀螺仪的积分结果能够很好的跟踪加速度计输出的角度值，并且在内部中进行输出的数据较为平稳的话，则能很好的反映出车模的瞬时角度值需求。
3.2 速度控制模块分析
对于速度控制模块而言，它主要是在小车进行直立行驶的基础上，提供在小车内部设立一个速度，从而将编码器测试得出的实际速度与设计速度两者进行有效的比较，并且在最后将比较得出的结果作为反馈量来进行分析，从而有效的控制PWM 的输出，使得小车能够按照设定速度来进行有效的实行。
对于MC9S12XS128 这一个类型的单片机来讲，它的内部系统中只有一路脉冲计数器，那么在这一个过程中，我们主要是使用分时测速的方式来对小车的左右轮速度进行测量。并且按照图2 当中的内容，我们可以了解到，在左轮以及右轮当中，它主要是通过从BY 以及BX 这两个端口来进行输入的，并且从BXY 输出并且加载到单片机的计数段中，来进行有效的选择。
图2 分时测试电路图分析
3.3 方向控制模块分析
我们可以从图3 当中的内容了解到，小车的运行方向主要是通过差速来进行控制的，并且通过测试左右两电磁感应线圈的电压数值，对这两个数值的和以及差让其能够加载到外轮以及内轮的p WM 中进行输出，从而使其能够在一定程度上有效的实现小车的差速控制。
图3 小车的方向控制
3.4 变速模块分析
我们可以了解到电磁两轮自平衡小车，它的速度控制是一个重要的难点，因此我们可以知道当小车在直立的状态下进行向前或者向后的运动过程中，所造成的倾角大小将会直接的营销到电机电压的大小。因此在当前，我们需要通过有效的掌控小车的倾角从而实现控制车子的加速度。在这一个过程当中我们采用的方式主要是通过设定一个限制值使其它能够作为加速以及减速的分界线，将左右电磁传感器测量的电压只差以及电压之和对其进行比例调节，使其能够得出左右传感归一的差值。接着我们在将这一个差值使其让它能够与设定好的限制值两者进行有效的比较，若是在比较的过程中发现超过限制值则应当对其进行减速，直到小车运动方向与车道上的电磁定向铜线方向进行一致，反之则需要对其进行加速前进。
4 结束语
大体的说来，在本篇文章当中，我们主要是简单的探讨了两轮自平衡小车控制系统的设计思想以及实现方式，从而系统当中的直立控制模块，速度控制模块，方向控制模块以及变速模块等几个方面进行着手，并且对这一些模块中的软硬件进行了有效的分析，也给出了相关的内容。因此我们可以了解到在本篇文章当中设计的系统是十分合理的，它能够有效的帮助两轮自平衡车的使用以及应用。
