自助跟隨平衡車的電子控制器設計與實現

彭遠哲

(西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010)

自助跟隨平衡車的電子控制器設計與實現

彭遠哲

(西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010)

隨著科技的不斷發展，多種智能感應技術被廣泛使用，為人們的生活、工作、學習帶來便利;平衡車作為新生的代步工具，具有體積小巧、攜帶方便、操作簡單、代步快捷等優點，正被越來越多的年輕人所接受;但是，傳統自主跟隨平衡車的電子控制器存在多傳感器交互性差、傳感器數值運算邏輯滯后、控制響應度差等問題，導致用戶體驗度降低，限制了自助跟隨平衡車的研究與發展;針對問題根源，提出了自助跟隨平衡車的電子控制器設計與實現方法;采用多維運算邏輯、動態傳感電路、瞬態信號回傳技術，對傳統自主跟隨平衡車的電子控制器存在的問題進行改進設計;通過仿真實驗測試證明，提出的自助跟隨平衡車的電子控制器設計與實現方法，具有多感應器數據交互運算準確、執行響應度高、指令運行穩定等優點。

自助跟隨；平衡車；電子控制器；傳感器

0 引言

幾年來，隨著科技的飛速發展，各種傳感技術被廣泛應用，如重力傳感器、紅外感應器、速度傳感器、溫度傳感器、電頻傳感器等一系列傳感設備，已經應用于人們生活、工作、學習的各個領域，為人們提供高效、安全、快捷的使用體驗與保障。同時，現代化建設進程不斷推進，加快了城市中人們的生活步伐，工作節奏快速化導致城市中車流量不斷增加，大量的尾氣排放嚴重影響環境的空氣質量，霧霾天氣的大范圍出現，為人們敲響了環境污染的警鐘。因此，選擇一種綠色環保、高效便捷的交通工具成為人們的訴求。

自助跟隨平衡車的出現，極大地滿足了上述人們的愿望，自助跟隨平衡車上裝載了大量的傳感器，通過傳感器之間的數據交互，完成人工指令的接收到處理，最后執行一系列運算，保障準確運算的關鍵就在于自助跟隨平衡車的電子控制器。傳統的自助跟隨平衡車的電子控制器設計上，存在一系列的指令運算問題，如：1)多傳感器交互性差[1-2]，導致平衡車執行結果出錯，極易為使用者帶來危險；2)傳感器數值運算邏輯滯后[3-4]，造成指令發送與指令執行不能同步，影響使用者使用體驗；3)控制響應度差[5-6]，人工指令已發送，但傳感器沒有接收到，無法按照使用者意愿運行，降低產品的可用度。

針對上訴問題，提出了自助跟隨平衡車的電子控制器設計與實現方法。采用多維運算邏輯對傳統電子控制器的多傳感器交互運算邏輯進行優化修正；通過動態傳感電路對傳統電子控制器的信號傳輸電路進行改進，使其滿足在多種感應信號回饋匯總處理狀態下，實時調整各部分傳感器參數，保證指令操作的同步性；最后，采用瞬態信號回傳技術，對傳統自主跟隨平衡車的電子控制器存在的感應指令傳輸滯后問題，進行信號傳輸邏輯重新運算，提升傳輸信號傳輸頻率，優化電頻干擾；將傳感器與控制器指令端進行點對點綁定，徹底解決傳感器無響應的問題。

通過仿真實驗測試證明，提出的自助跟隨平衡車的電子控制器設計與實現方法，具有多感應器數據交互運算準確、執行響應度高、指令運行穩定等優點。

1 自助跟隨平衡車的電子控制器設計與實現方法

1.1 電子控制器架構設計及實現思路

電子控制器架構由設計環境、架構描述文件和架構運行環境構成。在設計環境用戶可進行重構操作，設計符合工程要求的控制器參數，且自動保存在電子控制器描述文件中；運行環境導入該文件，調用解析器解析且自動生成相應的數據。電子控制器架構如圖1所示。

圖1 電子控制器架構

在電子控制器架構設計的基礎上,本文采用多維運算邏輯工作原理，提出自助跟隨平衡車的電子控制器設計與實現方法。

1.2 多維運算邏輯

自助跟隨平衡車內部有多種感應傳感器分別負責車體的平衡、速度、方位等數據。多種感應數據的交互、處理、執行有電子控制器進行綜合分析處理。傳統電子控制器在使用中發現，經常出現使用者做出前進的動作指令，而車體做出轉彎或間歇前進的錯誤動作，給使用者造成很大的不便[7-8]。經過對車體內部的各區域感應器的數據分析發現，自助跟隨平衡車的各區域感應數據正常，錯誤出現在多類數據匯總后處理分析執行的過程當中。通過對傳統電子控制器主控的分析邏輯深入分析后發現，傳統電子控制器內部的主控分析邏輯存在多指令數據交匯處理邏輯滯后性錯誤。

簡單說，當車體的陀螺儀感應到車體角度發生前傾至48度角時，會將數據信號回傳至電子控制器主控數據采集端；同時，距離、速度等感應數據也會第一時間匯集到主控數據采集端，多數據匯總后，由主控分析邏輯進行綜合分析處理，處理結果以電頻信號形式經電頻傳感器傳至電機驅動，完成指令操作。但是，主控分析邏輯存在錯誤時，多數據出現信號滯留現象，缺陷邏輯無法做出正確分析，固然無法下達正確電頻信號給電機驅動，車體運動出錯也在所難免。由此不難得出，對傳統電子控制器主控內部的分析邏輯進行修正，是解決上述問題的關鍵。

提出的自助跟隨平衡車的電子控制器設計與實現方法中，針對傳統電子控制器內部的分析運算邏輯錯誤做了相應的單元設計。采用多維運算邏輯單元對傳統自助跟隨平衡車主控內部，分析運算邏輯進行滯后數據偏差矯正處理，利用外圍數據執行式進行數據升級修復，替換傳統電子控制器主控底層數據框架，更新多維數據綜合處理分析邏輯執行式。提升控制器對各區域感應器回傳數據信號分析下淺度，提高指令執行準確度。多維運算邏輯關系式有三部分構成如下所示。

(1)

式(1)在主控多傳感器數據處理出現邏輯錯誤的狀態下，由外部電頻信號反饋激活，算法將對傳統自助跟隨平衡車的電子控制器內部錯誤運算邏輯進行錯誤補償處理，并對傳統自助跟隨平衡車的電子控制器內部錯誤運算邏輯進行邏輯錯誤點修正。

(2)

式(2)在主控多傳感器數據處理出現邏輯錯誤，且滿足式(1)無法對其進行修復的條件下，由外部電頻信號反饋激活，算法將對傳統自助跟隨平衡車的電子控制器內部錯誤運算邏輯進行邏輯底層數據強制更新，達到修成錯誤的目的。

ifhsed/*kdshμ∴(Y/N)

(3)

式(3)在接收到外部電頻信號回饋后，進行自重選擇性引導啟動式(1)或(2)，對傳統自助跟隨平衡車的電子控制器內部錯誤運算邏輯進行修正命令執行。

上述式(1)～(3)分別為多維運算邏輯的錯誤補償式、邏輯升級式與執行引導式。式(1)～(3)共同構成提出的自助跟隨平衡車的電子控制器設計與實現方法中多維運算邏輯單元。

上述提出的自助跟隨平衡車的電子控制器設計與實現方法中，多維運算邏輯單元式(1)與(2)的執行狀態是由提出的自助跟隨平衡車的電子控制器設計與實現方法中多維運算邏輯單元式(3)的動態分析決定。

提出的自助跟隨平衡車的電子控制器設計與實現方法中多維運算邏輯單元多維運算邏輯工作原理如圖2所示。

圖2 多維運算邏輯工作原理

對提出的自助跟隨平衡車的電子控制器設計與實現方法中，多維運算邏輯單元進行性能與可行性仿真測試。測試設置：在6種傳感器模擬信號中，隨機選取3種信號回傳至傳統自助跟隨平衡車電子控制器，當信號處理出現錯誤時，進行多維運算邏輯單元切入修正，對比前后信號處理準確度，具體參數如表1所示。

表1 多維運算邏輯單元進行性能與可行性測試參數

通過上述表1的測試數據可以充分證明，提出的自助跟隨平衡車的電子控制器設計與實現方法中，多維運算邏輯單元具有多路傳感器數據信號處理速度快、準確度高、錯誤邏輯修正速度快、修正率高、整體運行穩定等優點，能夠徹底解決傳統自助跟隨平衡車的電子控制器中多傳感器交互性差，導致平衡車執行結果出錯的問題。

1.3 動態傳感電路

傳統自助跟隨平衡車在日常使用中除上述問題外，還出現執行指令不同步的現象。通過對20位使用者的隨機抽取，測試發現，20位使用者在使用傳統自助跟隨平衡車的過程中都不同程度的出現了操作指令執行響應時間過長、指令信號處理滯后的問題。具體參數如表2所示。

表2 傳統自助跟隨平衡車日常使用錯誤數據采集表

通過對上述表2的數據進行分析發現，傳統自助跟隨平衡車存在很嚴重的操作指令執行響應時間過長、指令信號處理滯后問題，且具有普遍性。為了從問題根源徹底解決，對傳統自助跟隨平衡車的控制器進行拆解分析，通過深入研究發現，導致傳統自助跟隨平衡車操作指令執行響應時間過長、指令信號處理滯后問題的根源在于傳統控制器的感應器傳感電路的設計上。如圖3所示，傳統自助跟隨平衡車電子控制器內傳感器電路的設計采用單路供電二次助傳的方式，雖然可以保證數據傳輸的供電穩定，但是當數據電頻信號頻率多時間增大時，會出現電阻制衡，產生指令延遲。

圖3 傳統自助跟隨平衡車電子控制器內傳感器電路

為此，若想徹底解決傳統自助跟隨平衡車電子控制器內傳感器電路存在的問題，就必須對傳統自助跟隨平衡車電子控制器內傳感器電路進行重新設計。提出的自助跟隨平衡車的電子控制器設計與實現方法中，采用動態傳感電路設計方式，改變傳統自助跟隨平衡車電子控制器內傳感器電路的供電與指令信號的傳導方式，減少電阻安裝組數，優化電頻信號的傳輸功率算法，穩定供電，動態監測電路中的信號點，實時對信號傳輸參數進行修正，動態調整電路整體參數。動態傳感電路采用多路信號補償回傳的設計方式，實現單路電路數據錯誤時，輔助電路可以進行信號補償傳導，保證傳感器信號執行傳導的連續性，從根源徹底解決傳統自助跟隨平衡車電子控制器內傳感器電路存在的操作指令執行響應時間過長、指令信號處理滯后、執行指令不同步的問題。動態傳感電路如圖4所示。

圖4 動態傳感電路

對提出的自助跟隨平衡車的電子控制器設計與實現方法中動態傳感電路進行可行性仿真實驗測試。對動態傳感電路進行連續1500小時的連續性測試，測試動態電路對隨機模擬傳感器指令執行響應速度、執行準確度與穩定性，隨機抽取18組時間點數據，具體參數如表3所示。

通過表3的仿真測試數據可以充分證明，提出的自助跟隨平衡車的電子控制器設計與實現方法中動態傳感電路具有傳感器指令執行響應速度快、執行準確度高、穩定性好的特點，從根源解決了傳統自助跟隨平衡車電子控制器內傳感器電路存在的問題。

1.4 瞬態信號回傳技術

通過提出的自助跟隨平衡車的電子控制器設計與實現方法中多維運算邏輯與動態傳感電路的優化改進，基本解決了傳統自助跟隨平衡車電子控制器內傳感器電路存在的問題。但是，考慮到優化后的電子控制器的整體執行響應速度與傳統自助跟隨平衡車電子控制器執行響應速度差距較小，無法更好的提升用戶使用體驗。為此，提出的自助跟隨平衡車的電子控制器設計與實現方法中采用瞬態信號回傳技術，對電子控制器主控核心AD采集交互點進行信號算法優化，提升信號通道內的電頻活躍系數，加速信號回傳節點通透度。從而，達到信號響應零延遲的目的。

表3 動態電路可行性測試隨機抽取數據參數

瞬態信號回傳技術采用FS信號瞬導算法，對傳統自助跟隨平衡車的電子控制器主控的核心AD采集交互點進行針對性運算邏輯優化，加強原有主控節點運算力，利用BEX邏輯框架替換原有核心AD采集交互點底層框架，瞬態執行優化后的節點傳輸邏輯，保證FS信號瞬導算法高權限執行效果。FS信號瞬導算法關系式如下所示：

(4)

關系式中，當電頻系數x與節點通透系數n相等時，關系式為：

(5)

對瞬態信號回傳技術進行信號回傳速度仿真測試，并對測試結果進行曲線圖生成，通過與傳統自助跟隨平衡車電子控制器的信號回傳曲線進行對比，證明其優越性，曲線圖如下所示。

圖5 對瞬態信號回傳技術信號回傳速度與傳統自助跟隨平衡車電子控制器的信號回傳速度對比曲線

通過圖5可以充分證明，提出的自助跟隨平衡車電子控制器設計與實現方法中瞬態信號回傳技術，對提升自助跟隨平衡車的電子控制器信號傳輸具有顯著作用。

2 實驗與結論

通過上述針對性測試實驗可以充分證明，提出的自助跟隨平衡車電子控制器設計與實現方法中的每一獨立單元都符合設計要求。為了證明提出的自助跟隨平衡車電子控制器設計與實現方法整體具有較強的錯誤修正能力與穩定的可行性，進行針對性仿真模式測試。對提出的自助跟隨平衡車電子控制器設計與實現方法進行整形性能仿真測試，并與傳統自助跟隨平衡車電子控制器處理數據進行對比，具體參數如表4所示。

表4 整體性能測試參數

通過上述數據的對比充分證明，提出的自助跟隨平衡車電子控制器設計與實現方法，具有較強的信號錯誤修復能力與快速執行能力，并且整體運行穩定性與兼容性好。從問題根源解決了傳統自助跟隨平衡車電子控制器存在的一系列問題，滿足設計改進要求。

3 結束語

通過對傳統自助跟隨平衡車電子控制器存在的問題，進行分析研究，找到問題產生根源。提出自助跟隨平衡車電子控制器設計與實現方法，通過多維運算邏輯、動態傳感電路、瞬態信號回傳技術對傳統自主跟隨平衡車的電子控制器存在的問題進行改進設計。通過仿真實驗測試證明，提出的自助跟隨平衡車的電子控制器設計與實現方法，具有多感應器數據交互運算準確、執行響應度高、指令運行穩定等優點。

[1] 高銀平. 兩輪自平衡車的變結構控制與參數整定方法研究[D].合肥：合肥工業大學, 2014.

[2] 梁光勝, 杜夢楠, 周子豪,等. 基于互補濾波的兩輪自平衡車姿態控制[J]. 測控技術, 2015, 34(5):72-74.

[3] 趙 曜, 龔見素, 張雨涵. 基于K60的動態閉環自主循跡平衡車控制系統硬件設計[J]. 山東工業技術, 2016，10(4):260-267.

[4] 高銀平. 兩輪自平衡車的變結構控制與參數整定方法研究[D]. 合肥：合肥工業大學, 2014.

[5] 魏樂樂. 獨輪自平衡車控制系統的開發[D]. 杭州：浙江大學, 2016.

[6] 楊 彬, 陳裕平. 純電動車無刷直流電機控制器設計[J]. 山東工業技術, 2015，12(16):110-114.

[7] 李子軒, 林貴平, 曾 宇,等. 基于LabVIEW的電子式氧調器PID控制系統的設計[J]. 計算機測量與控制, 2016, 24(3):80-83.

[8] 關俊強, 左麗麗, 吳維林,等. 基于FPGA和CAN控制器軟核的CAN總線發送系統的設計與實現[J]. 計算機測量與控制, 2016, 24(3):281-284.

Buffet with Balanced Car Electronic Controller Design and Implementation

Peng Yuanzhe

(Department of Information Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010,China)

With the continuous development of science and technology, a variety of intelligent sensing technology is widely used, brings about lots of conveniences for people’s life, work and study. Balance of the car as a new transport, has small volume, convenient to carry, simple operation, and the advantages of walking fast, is accepted by more and more young people. But the traditional electronic controller independently with balanced car multi-sensor poor interactivity, sensor lagging numerical arithmetic logic, control, poor responsivity, results in the decrease of user experience degrees, limits the self-help balanced car research and development. For root causes, and puts forward the buffet with balanced car electronic controller design and implementation method. The multidimensional operation logic, dynamic sensing circuit, the transient signal back technology to the traditional independent follow balance problems existing in the electronic controller to improve the design of the car. Through the simulation test proves that the proposed buffet with balanced car electronic controller design and the realization method of data interaction operation with multiple sensors accurately and to execute commands high responsivity, stable operation, etc.

self-help to follow; balanced car; electronic controller; sensor

2017-01-12；

2017-02-09。

西南科技大學大學生創新基金項目(CX2016-103)。

彭遠哲(1995-)，男，河南南陽人，主要從事嵌入式系統方向的研究。

1671-4598(2017)04-0096-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.027

TP23

A