智能雙輪平衡車的設(shè)計(jì)研究

王麗華　楊秀萍　王皓　高崢翔

摘要：智能雙輪平衡車，其以簡(jiǎn)便和體積小等特點(diǎn)逐漸成為人們出行的最愛(ài)，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(diǎn)，使得傳統(tǒng)的PID控制模式很難滿足人們的需求，本文對(duì)當(dāng)前智能雙輪平衡車的設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。

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

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

針對(duì)環(huán)境保護(hù)而設(shè)計(jì)的智能雙輪平衡車，其以存放方便和無(wú)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(jì)中存在的一些問(wèn)題還無(wú)法得到有效的解決。本文作者通過(guò)自身的研究對(duì)當(dāng)前智能雙輪平衡車的硬件設(shè)計(jì)和軟件功能等進(jìn)行了簡(jiǎn)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(duì)策。

1 現(xiàn)狀分析

對(duì)于雙輪平衡車的研究工作，我國(guó)同國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比起步要晚一些，近些年隨著我國(guó)對(duì)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(guó)家在政策方面的支持和輔助較強(qiáng)。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn)證，我國(guó)在2003年推出了第一款雙輪平衡車，這標(biāo)志著我國(guó)進(jìn)入到了雙輪平衡車的運(yùn)行和應(yīng)用階段，隨著我國(guó)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(jì)

2.1 電路總體設(shè)計(jì)

對(duì)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(duì)于不同的模組，其采用的電路設(shè)計(jì)模式不同，對(duì)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(duì)于微控制器，在運(yùn)行過(guò)程中主要是通過(guò)ENC03和MMA7361對(duì)雙輪車運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后通過(guò)內(nèi)部的程式對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)雙輪平衡車的智能化控制，保證雙輪平衡車的正常運(yùn)行[1]。

2.2 主要硬件選擇

對(duì)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(jì)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(duì)雙輪車運(yùn)行過(guò)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(guò)計(jì)算度傳感器將地球引力以及物體運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的加速度數(shù)據(jù)傳遞到控制芯片中。對(duì)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(guò)傳感器收集雙輪平衡車運(yùn)行過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)資料，并對(duì)其進(jìn)行分析。對(duì)于測(cè)速模塊，其采用的是光點(diǎn)碼盤，這種光點(diǎn)碼盤自帶相位差，能夠通過(guò)上面的FTM模塊對(duì)雙輪車的正反轉(zhuǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。最后則是雙輪平衡車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面，其采用的是驅(qū)動(dòng)芯片和大功率MOSFET，在運(yùn)行過(guò)程中其能夠通過(guò)高速光耦對(duì)雙輪平衡車的輸入信號(hào)進(jìn)行隔離，從而防止了運(yùn)行過(guò)程中驅(qū)動(dòng)面板對(duì)控制面板的干擾，保證雙輪平衡車運(yùn)行和控制的穩(wěn)定性。

3 雙輪平衡車的控制程度算法

對(duì)于本次設(shè)計(jì)的智能雙輪平衡車，其控制算法采用的是IAR開(kāi)發(fā)工具，這種開(kāi)發(fā)工具能夠保證平衡雙輪車在運(yùn)行過(guò)程中控制程序的邏輯化運(yùn)行，其首先從主程序開(kāi)始進(jìn)行，通過(guò)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(shí)通過(guò)程序中的實(shí)時(shí)中斷功能對(duì)平衡程序進(jìn)行運(yùn)算。而對(duì)于程序中的初步直立功能，采用的是陀螺儀和加速度計(jì)的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于本次研究，其是通過(guò)MMA7361芯片和ENC03的角度互補(bǔ)來(lái)對(duì)雙輪平衡車的角度進(jìn)行計(jì)算和控制，保證平衡雙輪車運(yùn)行過(guò)程中的參數(shù)合理性。在雙輪平衡車運(yùn)行的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)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(yùn)行過(guò)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(yùn)行。為了保證雙輪平衡車運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性，我們通過(guò)雙閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)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(duì)應(yīng)的加速度。對(duì)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(jì)時(shí)，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(guò)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(duì)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(shí)現(xiàn)調(diào)試參數(shù)的真實(shí)性，在進(jìn)行調(diào)試的過(guò)程中將示波器的一些數(shù)據(jù)設(shè)置為固定值，然后通過(guò)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(jì)工作時(shí)，其軟件的調(diào)試工作時(shí)保證智能雙輪平衡車正常運(yùn)行的重要內(nèi)容，通過(guò)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(duì)雙輪車中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。

4.2 調(diào)試思想

對(duì)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(guò)程中需要調(diào)試的內(nèi)容相對(duì)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(jì)對(duì)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(guò)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(duì)D參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。為了保證平衡車在運(yùn)行過(guò)程中能夠保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，在對(duì)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(guò)程中的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合上述所說(shuō)，對(duì)于智能雙輪平衡車的設(shè)計(jì)，其需要對(duì)硬件和軟件以及信號(hào)等進(jìn)行全面的調(diào)整和修改，調(diào)試則是采用J-Link對(duì)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(duì)傳感器的信號(hào)傳輸功能進(jìn)行調(diào)整，保證雙輪平衡車運(yùn)行過(guò)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(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)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(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)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(jì)[J].河南工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，（01）：53-57.