基于AVR單片機的兩輪自平衡小車設計

張飛云 ，胡 靜

(1.許昌學院 電氣信息工程學院，河南 許昌 461000; 2.南召縣電業(yè)局，河南 南召 474650)

移動機器人技術是目前科學技術發(fā)展最活躍的領域之一，而兩輪自平衡小車又是移動機器人研究中的一個重要領域[1].兩輪自平衡小車是一個高度不穩(wěn)定的兩輪機器人，它兩輪同軸、車身中心位于車輪軸的上方、獨立驅動、靠運動保持平衡[2].本研究從最基本的單軸動態(tài)平衡著手，通過優(yōu)化PI算法，最終實現了僅用角速度傳感器的多軸動態(tài)平衡達到在價格敏感產品中低成本、高效率，在價格不十分敏感的產品中和加速度相結合的效果.

1 系統Matlab仿真

為了保證方案的可行性，首先利用Matlab[3]里的simulink組件對系統的機械部分、傳感器部分和PI控制器算法部分建立仿真模型，得到仿真系統運行效果圖、系統對輸入信號的跟隨效果圖和執(zhí)行機構信號波形圖分別如圖1、圖2和圖3所示.

圖1 仿真系統運行效果圖Fig.1 Operation rendering of simulation system

圖2 系統信號跟隨效果圖Fig.2 Follow rendering of system signal

圖3 執(zhí)行機構信號波形Fig.3 Signal waveform of actuator

在圖1中，運動模型的底部水平部分可以左右移動.斜立的桿和底部運動部分的中點相連接，斜立的桿在仿真時可以左右擺動.在斜立桿的頂端是傳感器信號采集點，系統整體姿態(tài)依靠對此點傳感器信號的采集計算.在系統仿真時，斜立的桿左右擺動，完成對正弦波信號的跟蹤，不會出現倒向一個方向的情況.由圖2可知，傳感器輸出信號稍滯后于輸入信號.執(zhí)行機構得到的信號波形圖和系統對輸入信號的跟隨效果圖是同時基的.將兩圖結合起來發(fā)現，當傳感器信號為正半周時，執(zhí)行機構的信號剛好為負半軸，這證明了系統對偏差的糾正.當結構整體朝一個方向傾斜時，執(zhí)行機構會產生反向力矩去矯正系統偏差并維持系統平衡.

圖4 系統總體框圖Fig.4 System overall diagram

綜上可知，在上述系統硬件基礎上利用比例與積分算法可以實現對傳感器輸入信號的跟隨，使系統達到動態(tài)平衡.

2 硬件設計

2.1 所用器件

采用日本村田制作所制造的ENC-03R系列角速度傳感器與ATMEL公司生產的AVR mega8單片機作為控制核心，以ST公司生產的L298芯片作為電機的驅動芯片，得到系統總體框圖，如圖4所示.

圖5 角速度傳感器電路圖Fig.5 Circuit diagram of angular velocity sensor

2.2 電路模塊

2.2.1 角速度傳感器電路

角速度傳感器采用日本村田制作所制造的ENC-03R系列傳感器，系統角速度傳感器電路見圖5.該電路未采用官方提供的帶低通濾波器的電路，而是直接對輸出信號進行積分后輸出.實驗證明，ENC-03R傳感器不采用官方提供的濾波放大電路而直接采集輸出電壓，傳感器所需外圍器件少，PCB布線也方便.經測量，此電路靜態(tài)輸出電壓為1.35 V，最高電壓不超過1.48 V，達到了很好的實驗效果.

圖6 基準電壓源電路Fig.6 Circuit of reference voltage source

2.2.2 ADC基準電壓源

系統采用LM317為ADC提供電壓基準.該器件輸出電壓從1.2～37 V可調，并且有很高的輸出線性度(0.01%)，非常適合作電壓基準源.由于傳感器的最高輸出電壓為1.48 V，故選擇1.48 V作為基準電壓.基準電壓源電路如圖6所示，輸出電壓的計算公式如下：

AREF=1.25(1+R8/R9).

當R8=39 Ω，R9=220 Ω時，輸出電壓最接近1.48 V，符合系統要求.

圖7 串行通信接口電路Fig.7 Interface circuit of serial communication

2.2.3 串行通信接口

由于AVR mega8單片機無JTAG接口，而系統需要根據實際情況調節(jié)一些參數，所以需要留出串行通信端口，串行通信接口電路見圖7.

2.2.4 電機驅動電路

電機驅動芯片采用ST公司生產的L298，由于L298內部沒有續(xù)流二極管，為了消除電機反向電動勢對內部晶體管的傷害，所以外圍電路中加入8支二極管來實現續(xù)流.圖8中R1，R2均為3 W，0.5 Ω的電流采樣電阻，方便后期的電流監(jiān)控.

圖8 電機驅動電路Fig.8 Drive circuit of motor

2.3 電機空載最低啟動電壓測量

自平衡小車系統使用maxon motor公司生產的伺服直流電機RE35，為確保系統響應趨于收斂，減少超調量，電機的調速應盡量平滑，設計中使用7.68 kHz的PWM來調節(jié)電機的轉速.實驗證明，直流電機存在空載最低啟動電壓.也就是說，如果電壓低于它的啟動電壓，電樞繞組中雖然有電流，但產生的安培力不足以克服定子磁鐵對轉子的定向吸附力和轉子轉軸與定子接觸面得摩擦力，以至于電機不轉動[4].

為克服以上因素造成的影響，需要知道電機在多高電壓器時啟動，為此基于實驗板編寫了一段測試程序，將小車連接電腦，電機驅動板電壓為7.2 V，經實驗發(fā)現：(1)當PWM占空比為75%時，電機會發(fā)出刺耳的嘯叫，但不會旋轉，此時機端電壓U=7.2×0.75=5.4 V；(2)當PWM占空比為77%時，電機開始運行，此時機端電壓U=7.2×0.77=5.544 V.

圖9 系統主流程圖Fig.9 The main diagram of the system

以上實驗結果表明，采用這種電機空載的最低啟動電壓為 5.6 V，在使用中，應該以這個電壓為起點，否則電機將停轉.

3 軟件設計

3.1 PID控制算法

由于兩輪自平衡小車系統是一個慣性環(huán)節(jié)，電機執(zhí)行機構相對于傳感器信號滯后，再加上沒有使用加速度傳感器，只使用微分環(huán)節(jié)可能導致系統的不穩(wěn)定，所以在經典的PID控制理論中使用P(比例)和I(積分)來控制系統的平衡.

3.2 系統主流程圖

系統主流程圖見圖9.

4 結束語

首先利用Matlab對兩輪自平衡小車控制系統進行仿真，確定算法的可行性.然后，采用日本村田制作所的角速度傳感器ENC-03R來組建陀螺儀系統，通過AVR mega8單片機完成對其信號采集與計算，并向電機驅動器發(fā)送信號去執(zhí)行相應的動作，從而實現小車動態(tài)平衡的功能.

參考文獻：

[1] 徐國華，譚民.移動機器人的發(fā)展現狀及其趨勢[J].機器人技術與應用，2001，14(3)：7-14.

[2] 劉斌.兩輪自平衡小車軟硬件研發(fā)與基于模糊線性化模型的變結構控制研究[D].西安：西安電子科技大學，2009.

[3] 侯媛彬，汪梅，王立琦．系統辨識及其MATLAB仿真[M].北京：科學出版社，2004.

[4] 唐介.電機與拖動[M].2版.北京：高等教育出版社，2010.