滿紅 鄭富榮 胡偉華 陳伙顯 黃錦成 鄧月清

（1五邑大學(xué)智能制造學(xué)部，廣東江門，529030；2五邑大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，廣東江門，529030）

0 引言

隨著社會(huì)進(jìn)步和科技發(fā)展，平衡車的應(yīng)用越來越廣泛?，F(xiàn)有平衡車主要包括兩類：一類是載人平衡車，多用于交通運(yùn)輸業(yè)；另一類是載物平衡車，主要用于工廠、商場(chǎng)等場(chǎng)所實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)輸貨物。

鑒于以上需求，目前各大高校都在積極進(jìn)行這方面的研究，通過競(jìng)賽或者研究項(xiàng)目等方式來不斷提升平衡車的各種功能，使平衡車的應(yīng)用場(chǎng)合越來越多。但由于現(xiàn)有平衡車體積大、造價(jià)高、可操控性不強(qiáng)，對(duì)于沒有專業(yè)基礎(chǔ)的用戶很難上手操作。

基于上述問題，本文設(shè)計(jì)了一款集趣味性、科技性、體積小且易操控等特點(diǎn)為一體的教學(xué)用尋跡兩輪自平衡車。該平衡車不僅可以配合教學(xué)中基礎(chǔ)內(nèi)容的講解，還可以激發(fā)學(xué)生的熱情，使學(xué)生能夠更快、更容易地掌握相關(guān)知識(shí)，走進(jìn)科技之門。

1 平衡車主要結(jié)構(gòu)及功能

1.1 主要結(jié)構(gòu)

尋跡平衡車采用STM32芯片作為控制核心，通過角度傳感器模塊、電磁信號(hào)采集模塊獲取車體狀態(tài)信息，再將信息傳送到單片機(jī)相應(yīng)控制器中，根據(jù)不同狀態(tài)輸出相應(yīng)數(shù)據(jù)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，使平衡車實(shí)現(xiàn)直立和尋跡功能，同時(shí)通過顯示電路模塊給出平衡車當(dāng)前的各種狀態(tài)信息。平衡車主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 平衡車主要結(jié)構(gòu)

1.2 功能

平衡車需要實(shí)現(xiàn)兩大功能——直立狀態(tài)和尋跡功能。其中，直立狀態(tài)主要是通過角度傳感器MPU6050芯片采集車體角度和加速度數(shù)據(jù)，然后傳送到角度PID控制器與給定值作比較，繼而調(diào)整控制器角度輸出大小驅(qū)動(dòng)平衡車電機(jī)旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)[1]；尋跡功能則是通過工字電感采集道路的磁場(chǎng)信息，經(jīng)過放大和檢波電路將電磁強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為0-3.3V的電平信號(hào)（即平衡車與車道中心的距離），通過A/D轉(zhuǎn)換后再將信號(hào)傳送到方向PID控制器，在直立狀態(tài)的基礎(chǔ)上完成尋跡功能。

2 平衡車硬件設(shè)計(jì)

尋跡平衡車硬件設(shè)計(jì)主要包括外觀和硬件電路兩大部分。其中，外觀設(shè)計(jì)采用左右對(duì)稱模式，主要硬件可實(shí)現(xiàn)模塊化插拔；硬件電路主要包括主控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、電磁信號(hào)放大電路、電源電路等[2]。

2.1 外觀設(shè)計(jì)

尋跡平衡車在外觀總體設(shè)計(jì)上要求硬件布局合理有序，電路精簡(jiǎn)可靠，元器件擺放左右對(duì)稱，保證車體平衡。平衡車電路板PCB布局如圖2所示，其中，平衡車的主控芯片位于車體電路板中心；A/D采集模塊放置在車體前方便尋跡；OLED顯示模塊除了在平衡車工作過程中會(huì)有相應(yīng)的提示圖案，給使用者直觀的信息外，還具有輔助調(diào)節(jié)PID參數(shù)的功能。此外，主要硬件部分已實(shí)現(xiàn)模塊化，更換損壞的硬件可直接插拔，極大地方便用戶操作使用。

圖2 平衡車電路板PCB布局

尋跡平衡車實(shí)物如圖3所示。該實(shí)物沒有封裝，車體電路板裸露在外邊，電機(jī)和輪子在電路板下方。

2.2 主控電路設(shè)計(jì)

尋跡平衡車主控電路主要由3.3V電源穩(wěn)壓模塊、電磁信號(hào)采集模塊、STM32主控芯片以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等構(gòu)成[3]。

2.2.1 電源穩(wěn)壓模塊

尋跡平衡車工作電源利用LDO3V3穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)3.3V電源輸出。為提高電源輸出品質(zhì)，芯片輸出部分采用100uF鉭電容進(jìn)行濾波。平衡車電源穩(wěn)壓模塊原理如圖4所示。

圖4 平衡車電源穩(wěn)壓模塊原理

2.2.2 電磁信號(hào)采集模塊

電磁信號(hào)采集電路主要是完成電磁軌道的數(shù)據(jù)采集工作，通過10mH的工字型電感與6.8nF的電容并聯(lián)，構(gòu)成RLC諧振電路，然后再采集電磁軌道上的20kHz交變磁場(chǎng)信號(hào)[4]。因此，該部分電路設(shè)計(jì)需要考慮兩方面內(nèi)容：一是要產(chǎn)生20kHz的交變電流源信號(hào)；二是對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行放大檢波[5]。

1）電磁軌道及交變電流源設(shè)計(jì)。

電磁軌道采用 PVC 耐磨塑膠地板材料制作而成，車道寬度（含路肩）不小于45cm，兩條相鄰車道中心線的間距不小于60cm。此外，車道中還有直線、曲線、十字交叉路口等，其中曲線的曲率半徑不小于50cm。電磁車道示意圖如圖5所示。車道中心線上鋪設(shè)有電磁引導(dǎo)線，引導(dǎo)線采用直徑為0.1-1.0mm的漆包線。平衡車工作時(shí)，漆包線上通有20kHz、100mA的交變電流，電流頻率范圍為20k±1kHz，電流范圍為100±20mA。交變電流源的輸出等效電路如圖6所示。

圖5 電磁車道示意圖

圖6 交變電流源輸出等效電路

2）信號(hào)放大檢波電路設(shè)計(jì)。

由于電磁信號(hào)采集電路采集的正弦信號(hào)幅值過小，無法滿足20kHz帶寬和增益的要求，因此需要設(shè)計(jì)信號(hào)放大檢波電路。信號(hào)放大檢波電路采用LM358芯片實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大檢波功能，其電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 信號(hào)放大檢波電路設(shè)計(jì)

圖7 中，檢波電路的時(shí)間常數(shù)τ=R12C17，一般選擇為激磁電流(f=20kHz)周期的3-5倍。其中，C17的容量越大，輸出到單片機(jī)A/D端的直流電壓中的20 kHz波紋越小，但容量過大會(huì)導(dǎo)致電路響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)檢測(cè)平衡車偏離道路的反應(yīng)不靈敏。經(jīng)估算測(cè)試，取C17= 0.1uF時(shí)，電阻R12選擇51kΩ最為合適。

2.2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

由于本設(shè)計(jì)選擇的130電機(jī)需外加齒輪減速，對(duì)驅(qū)動(dòng)功率要求較高[6]，因此，本文選擇具有大電流MOSFET-H橋結(jié)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TB6612FNG。該芯片采用雙通道電路輸出，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2臺(tái)電機(jī)[7]，無需外加散熱片，具有外圍電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。其實(shí)物如圖8所示。

圖8 TB6612FNG芯片

TB6612FNG芯片通過A、B兩路分別驅(qū)動(dòng)2臺(tái)電機(jī)工作。以A路為例，將A01和A02分別接到電機(jī)的正極和負(fù)極，通過PWMA、AIN2、AIN1 這3個(gè)端口控制電機(jī)。其中，PWMA接到單片機(jī)的PWM引腳。TB6612FNG芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)接線圖如圖9所示。

圖9 TB6612FNG芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)接線圖

3 平衡車控制器設(shè)計(jì)

3.1 受力分析與設(shè)計(jì)原理

尋跡平衡車的模型可以采用一階倒立擺模型來描述，若提供其前后方向的受力，則可使壓在兩輪上的重量保持動(dòng)態(tài)平衡[8]，其受力分析示意如圖10所示。在自然狀態(tài)下，只要采集并控制平衡車電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向，就可以使其保持直立，并按照道路信息尋跡行駛。

圖10 平衡車受力分析示意

3.2 控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

尋跡平衡車主要通過比較車體方向、車體平衡角度大小和實(shí)際給定量的偏差，利用非線性PID控制算法進(jìn)行調(diào)節(jié)。其控制器原理如圖11所示。

圖11 平衡車控制器原理

3.3 控制器參數(shù)整定

尋跡平衡車控制器參數(shù)的整定主要采用試湊法[9]。筆者在對(duì)控制器參數(shù)整定過程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)平衡車系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性要求較高時(shí)，常規(guī)線性PID參數(shù)整定法很難達(dá)到要求，于是引入非線性PID參數(shù)整定法，并利用其非線性變化特性來解決這一問題[10]。

為保證平衡車控制系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度，筆者初始將比例系數(shù)pk取較大值，但為了避免平衡車控制系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)量，影響其穩(wěn)定性，故讓期望誤差E與比例系數(shù)pk成正比例變化。結(jié)果表明，通過對(duì)非線性PID參數(shù)進(jìn)行整定，其抗干擾能力明顯優(yōu)于常規(guī)線性PID控制器。常規(guī)線性PID與非線性PID參數(shù)整定結(jié)果對(duì)比如圖12所示。

圖12 常規(guī)線性PID與非線性PID參數(shù)整定結(jié)果對(duì)比

在仿真過程中，筆者將比例系數(shù)pk做非線性調(diào)整，使其滿足與誤差之間的非線性關(guān)系，公式如下：

其中，MinP為最小比例系數(shù)，MaxP為最大比例系數(shù)，Bias為誤差，MaxRateP為比例系數(shù)調(diào)節(jié)速度。

在調(diào)試過程中，通過調(diào)節(jié)MinP、MaxP以及MaxRateP的大小，就可以根據(jù)誤差自動(dòng)計(jì)算出pk的值，這是與常規(guī)線性PID參數(shù)整定法的不同之處。

4 軟件設(shè)計(jì)

尋跡平衡車軟件設(shè)計(jì)主要采用中斷方式完成數(shù)據(jù)采集。在系統(tǒng)初始化時(shí)，設(shè)置MPU6050芯片外部中斷接口每5ms響應(yīng)一次中斷，在這5ms的控制周期內(nèi)，單片機(jī)需要通過I2C協(xié)議讀取MPU6050芯片采集到的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為角度和角加速度所對(duì)應(yīng)的直立功能的輸入變量；車道信息則通過電感和放大檢波電路采集信號(hào)后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到車體與車道中心的距離，并傳送到方向PID控制器進(jìn)行處理。平衡車控制流程如圖13所示。

圖13 平衡車控制流程

5 結(jié)語

本文介紹的教學(xué)用尋跡平衡車在外觀設(shè)計(jì)及電路設(shè)計(jì)上都做了優(yōu)化調(diào)整，使整個(gè)系統(tǒng)具有小型化、低成本、便于零基礎(chǔ)使用者學(xué)習(xí)操控等特點(diǎn)，既能滿足青少年的娛樂心智，又能激發(fā)他們探索科技奧秘的熱情，在一定程度上為相關(guān)人群提供了較好的學(xué)習(xí)平臺(tái)。