基于線性CCD的兩輪自平衡智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 近年來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，兩輪自平衡小車以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕盈小巧、運(yùn)動(dòng)靈活、高效節(jié)能等特點(diǎn)，在許多個(gè)領(lǐng)域得到了較大的發(fā)展。本文設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)兩輪小車，用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MK60DN512ZVLQ10單片機(jī)作為核心控制器，加速度計(jì)MMA7260和陀螺儀ENC03作為車身姿態(tài)控制測(cè)量元件，實(shí)現(xiàn)兩輪小車的自平衡。根據(jù)設(shè)定速度與小車速度的偏差控制電機(jī)的電壓，以實(shí)現(xiàn)速度控制，并利用線性CCD采集賽道信息，根據(jù)路徑的彎度控制小車兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制，從而實(shí)現(xiàn)兩輪直立車的尋跡方案。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由單片機(jī)核心控制器、直立控制模塊、速度控制模塊、方向控制模塊等功能模塊構(gòu)成。直立控制模塊包含陀螺儀及加速度計(jì)，將它們安裝在小車的重心位置，這樣能保證傳感器不會(huì)太敏感或太遲鈍，兩者的數(shù)據(jù)融合使小車能保持一定的傾角前進(jìn)。速度控制模塊：電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)安裝于左、右輪的編碼器測(cè)速，與設(shè)定速度進(jìn)行比較，控制小車按設(shè)定速度行駛。方向控制模塊：通過(guò)安裝于小車運(yùn)動(dòng)上方支架上的線性CCD，控制兩輪實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)彎，以控制運(yùn)動(dòng)方向，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 各個(gè)控制模塊

2.1 直立控制模塊

兩輪車行走的首要條件是車的直立平衡，我們?cè)O(shè)計(jì)的參考方案如圖2所示。它是通過(guò)陀螺儀ENC03采集到車傾斜的角速度w，通過(guò)加速度計(jì)采集車傾斜的角度θacc，與陀螺儀積分得到的角度θ比較，得到偏差量e2(t)經(jīng)過(guò)比例1/Tg轉(zhuǎn)換作為反饋量給陀螺儀，偏差量e1(t)與陀螺儀采集到的角速度相加再積分作為車傾斜的角度θ。由于陀螺儀會(huì)有積分誤

差及溫漂，采用加速度計(jì)就可以減少陀螺儀的誤差，加速度由于受外界的干擾比較大，瞬間值不夠準(zhǔn)確，所以配合陀螺儀的使用，兩者共同作用來(lái)采集車模的傾角。

2.2 速度控制模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用4個(gè)BTS7960組成H橋電路來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，另外采用MK60N512VMD10單片機(jī)兩路脈沖計(jì)數(shù)器，通過(guò)編碼器分別測(cè)出小車左、右輪的脈沖量。利用4路PWM分別控制兩個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。如圖3所示，當(dāng)開關(guān)QA、QD接通，電機(jī)為正向轉(zhuǎn)動(dòng)，開關(guān)QB、QC接通則電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，電流的大小，決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)PWM占空比來(lái)決定電流的大小，從而間接地控制了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

小車的速度控制是建立在小車直立的基礎(chǔ)上的，通過(guò)給小車一個(gè)設(shè)定速度，然后將編碼器測(cè)得的小車實(shí)際速度與設(shè)定速度進(jìn)行比較，偏差量作為反饋量，經(jīng)過(guò)比例PSPEED、積分ISPEED的和作為速度的輸出，進(jìn)一步控制PWM的輸出從而使小車按設(shè)定速度行走，如圖4所示。

2.3 方向控制模塊

小車運(yùn)行方向控制是通過(guò)兩個(gè)輪子的差速來(lái)實(shí)現(xiàn)，而差速是由線性CCD采集賽道信息來(lái)計(jì)算彎道兩邊黑線與直道時(shí)兩邊黑線的偏差值來(lái)確定。我們比賽使用的CCD型號(hào)為TSL1 401，屬于線性CCD，與面陣CCD相比，線性CCD只是采集一行的數(shù)據(jù)，而這一行數(shù)據(jù)是由線性CCD傳感器128個(gè)光電二極管通過(guò)積分電路所采集的圖像灰度值。

對(duì)于采集回來(lái)的128個(gè)數(shù)據(jù)，要確定一個(gè)閾值Th，一般情況下為200左右(還能通過(guò)撥碼開關(guān)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境亮度來(lái)選擇幾個(gè)不同的閾值Th)，來(lái)區(qū)分開白色跑道與其它顏色灰暗的非跑道區(qū)域。對(duì)于白色跑道反饋回來(lái)的值肯定是比其它反饋回來(lái)的值大，取這些數(shù)的一個(gè)中值來(lái)作為閾值，來(lái)區(qū)分賽道的黑白點(diǎn)(除了白色賽道，其余都是黑點(diǎn))，就可以判別

出白色跑道，然后就可以計(jì)算出彎道時(shí)與正常跑道的偏差值，將兩邊的偏差值相減再轉(zhuǎn)換成電壓值加到方向輸出函數(shù)中，就可以控制小車的轉(zhuǎn)向了。程序框圖如圖5所示。

由于比賽的賽道有虛線，所以我們將采集到128個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)從中間(第64個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù))往兩邊處理(左邊64-0跟右邊64-127的情況是一樣的)，目的是尋找兩邊的黑點(diǎn)，與設(shè)定的閾值Th相比，如果小于閾值Th，再判斷3個(gè)點(diǎn)是否都小于閾值Th，如果是，則認(rèn)為是檢測(cè)到了賽道邊上的黑線。

程序?qū)崿F(xiàn)部分(左邊64-0的64個(gè)點(diǎn)檢測(cè)部分)：

3 結(jié)束語(yǔ)

文中討論了基于線性CCD的兩輪自平衡小車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)系統(tǒng)中通過(guò)線性CCD完成對(duì)賽道識(shí)別的方向控制模塊，以及直立控制模塊、速度控制模塊等模塊的軟硬件進(jìn)行了分析，并給出了關(guān)鍵程序段。通過(guò)測(cè)試及參加飛思卡爾智能車比賽，證明這個(gè)系統(tǒng)是合理的，也提高了小車運(yùn)行的速度。開展對(duì)兩輪自平衡車的深入研究對(duì)提高我國(guó)在這一領(lǐng)域的科研水平、擴(kuò)展機(jī)器人的應(yīng)用背景等具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。