双轮自平衡小车控制系统的设计

张婷婷

摘 要：双轮自平衡小车具有高适应性、高灵活性、小面积、低功耗、长续航等优点，完全符合未来智能技术的前景方向，可推广于承载、运输、代步等众多民用、军用场合，有很大的发展潜力和市场前景，具有十分重要的研究意义。为了实现平衡稳定性能的表现和速度的提升，本文以双轮小车为主要研究对象，通过对控制系统关键技术的研究，实现硬件系统及软件系统的设计，采集各种道路、倾角及速度数据，并利用单片机对有效信息进行融合，从而针对不同的工作环境，对双轮小车的驱动电机分别进行有效的控制，使其实现稳定、适应性强的双轮小车自平衡行驶。

关键词：平衡控制;多信息融合;车身稳定

1 引言

随着社会的发展和工作环境的复杂要求，人们对于可移动机器人的需求也越来越高，特别是在一些狭小或特定环境下的工作，需要可以实现灵活可变的移动轨迹，比如在原地零半径回转或者任意半径的转向。双轮平衡小车是实现这类要求的一个重要载体，可以通过控制系统的运动控制，让小车在完美融合环境约束条件下进行无人干预的自平稳运行，同时可以抵抗干扰，迅速调整恢复稳定状态[1]。然而控制系统也有各种各样的设计方案，不同的设计方案搭配合适的控制算法会产生出不一样的控制效果，最直观的是平衡稳定性能的表现和速度的提升，本文就控制系统的关键技术进行以下研究。

2 总体设计

双轮自平衡小车是一个多反馈系统，通过对机械、硬件、软件等三方面的不断探索，本文确定了如图1所示的系统总框图。系统总方案以主控模块、道路采集模块、姿态采集模块、速度检测模块、电机驱动模块、电源管理模块、调试模块等七大模块组成，从信号采集。

2.1 主控芯片

系统采用性价比高的32位MK66FN2M0VLQ18为主控芯片（以下简称K66），K66有GPIO、ADC模数转换、PIT定时器、外部中断、PWM等外设，内含六个UART模块， 三个SPI模塊， 四个I2C模块与一个I2S模块，有足够的处理能力，可完成对各传感器采集信息的运算处理，以驱动电机模块。

2.2 信号采集系统

道路信息采集模块依靠的是车体前瞻上的MT9V034数字摄像头模块，通过二值化处理将采集的信号传送给K66单片机的AD检测引脚，单片机通过摄像头来判断道路信息和小车所在位置，并在遇到路障、弯道、颠簸、上坡、下坡、人行道标志等复杂路况时加以区别信号。

姿态采集模块主要是对双轮小车的车身姿态及倾角进行采集，包括两个方面，通过陀螺仪和加速度计分别进行信号采集，将陀螺仪积分出来的角度与加速度计换算出来的角度数据经过融合得到准确的角度。

速度检测模块主要是对小车行走和转向差速检测，采用的是512线mini编码器，可以通过分别对左右两轮轮速的检测，反馈给单片机进行对比，通过运算处理后以输出PWM控制电机驱动。

2.3 电机驱动模块

本车使用的是RS380直流电机，分别带动左右轮转动。电机驱动模块是通过搭建H桥电路，采用BJT基极驱动，实现对左、右轮的直流电机进行PWM控制，根据单片机运算处理输出信号以及时控制车轮转速及转差。

2.4 电源管理模块

平衡小车的供电电源为7.2V2000mAh的直流电池，但因本控制系统的各个模块需要的电压各不相等，故电源管理模块通过若干相互独立的稳压电源电路组成，为各个模块提供对应合适的电源，并有利于减少模块间的互相干扰。具体来说，需要提供5V的稳定电压给编码器、陀螺仪、隔离电路等，需要提供3.3V的直流稳定电压给K66、调试模块等，另外还要利用升压电路输出12V直流电压供给电机驱动模块。

3 控制策略设计

本车控制系统从各个模块初始化开始进入主函数的while循环，在循环中利用K66的DMA获取摄像头图像信息，并利用MPU6050中断，为主程序提供50ms的精确定时，通过获取加速度计及陀螺仪角度，获取电池电压，获取编码器测速，读距离值以判断当前状态，若当前状态不平衡，通过串级PID控制计算PWM值，设置PWM及电机转动方向控制。

3.1 平衡控制

双轮平衡小车的控制核心思想是当姿态检测系统检测到车身产生倾斜时，控制系统能根据测得的倾角产生一个相应的力矩，通过控制电机驱动车轮向车身要倒下的方向运动至合适距离，以保持车身的动态平衡[2]。如图2所示。

3.2 串级控制

为保证车模的平衡控制，本车采用直立环、转向环、速度环三环串级控制。如图3所示。

本文将直立、方向、速度三方面控制算法进行串级控制，其中速度环PI控制作为最外环，且做为转向环PD控制器中间环的输入，直立环PD控制作为最内环。在串级控制中，速度还的输出不再是PWM变化值，而是输出小车的直立倾角变化值[3]。

在进行调试时，可从最内环直立环开始，将直立环和速度环PID均置为零，慢慢增加角速度P，直到用手作用小车时，小车有反作用力，这就是平衡力，然后稍加D参数，再调节转向环P参数直到小车可以自主直立，再稍加D参数去除多余的车模抖动。

4 结论

本文针对双轮自平衡小车设计的控制系统进行研究，从传感器的选用和信息融合入手，研究改进了一些控制策略。提出三环串级控制的思想，并进行调试，该控制策略较传统控制思想略优，大大提高了车模高速稳定性能。

参考文献

[1] 严冬.基于PID控制算法的自主平衡小车的设计[J].科技视界，2018（33）：14-15.

[2] 陶言侃. 双轮自平衡机器人设计及轨迹跟踪控制研究[D].哈尔滨工业大学，2019.

[3] 黄强，唐杰，林立，王源明，朱群峰.双闭环PID控制的两轮平衡小车设计与实现[J].邵阳学院学报（自然科学版），2020，17（03）：35-39.

基金项目：滁州职业技术学院校级重点科研课题《基于多信息融合的双轮自平衡小车控制系统的研究及应用》（项目编号：2017YJZ-2017-04）;

安徽省省级质量工程汽车检测与维修技术教学团队（项目编号：2018jxtd089）。