直立智能小車行駛控制系統研究

張翠翠

摘 要：本文采用ARMK60芯片作為系統的主控芯片，同時提出了一款直立智能小車的方案設計。該方案設計理念是采用ENC03MB型和MMA7260型傳感器構成的檢測小車姿態的裝置，ENC03MB是一種角速度傳感器陀螺儀，MMA7260是加速度傳感器。該方案設計制作完成后，系統中的各個模塊都可以相互統一，相互協調，并實現小車正常行駛。在無人干預的情況下，直立智能小車可以實現自立平衡。與此同時，當遇到外界一些干擾時，直立小車也能夠自立調整并且實現穩定狀態。

關鍵詞：直立智能小車；陀螺儀；姿態檢測；卡爾曼濾波；數據融合

當前車輛已不再單單是代步工具，它已是融合了多種學科理論和技術的機電一體化技術。它涉及各個領域，應用范圍越來越廣泛。智能車輛在工作過程中可以克服工作區域狹窄、路面不平、工作環境復雜惡劣等造成的影響，可以使車輛適應特定的環境，靈活快捷的在惡劣復雜環境里工作。作為當前最主要研究課題，直立智能小車將引領未來新時代新科技。

1 直立智能小車優勢

因為直立智能小車的車身重心位于車輪軸上方且兩輪共軸，可以相互獨立驅動等結構特點，所以它對于地形變化有很強的適應能力，運動過程中保持平衡，有良好的運動性能，從而實現直立運動，能夠在比較復雜的環境里工作。具有以下幾個優點：（1）傳統多輪汽車布局有很多弊端，直立智能小車彌補了其缺點，實現任意半徑轉向和原地回轉，可以實現移動軌跡的靈活轉變；（2）具有占地面積小的優點，能夠在場地面積很小或者要求靈活運輸的場合上使用；（3）車的結構上有很大的簡化，可以把車做的更輕更小；（4）有著較小的驅動功率，能夠讓電池長時間供電；（5） 智能小車可以保持平衡，源于它是一個動態變化過程。它會不停的變化在平衡點附近，從而實現平衡調節；（6） 兩輪智能直立小車的重心高度對小車運動和程序設計的限制小。

2 擬解決的主要技術問題

技術關鍵：（1） 測量小車的姿態、速度等；（2） 使用處理芯片對姿態信息進行處理；（3） 使用控制芯片，用模糊控制方法控制小車。主要技術指標：在一定角度內實現平衡，受外界一定干擾能自主恢復平衡等。

3 根據設計要求，確定如下方案：

使用MK60DN512VLL10單片機，ENC03MB和MMA7260為主要的控制通信器件，加裝一些電源模塊、電源驅動模塊，實現對直立智能小車的平衡控制行駛。直立智能小車的運動狀況是由單片機控制的，單片機通過所檢測的各種信息實現實時控制，可實現直立小車系統的各項要求，達到靈活，可靠，精度高。

具體模塊由單片機主控模塊、電源模塊、傳感器模塊、電機驅動模塊共同組成，實現直立智能小車系統。

3.1 主控板模塊

根據此設計特點要求，不能采用精簡I/O口和程序存儲器的小體積單片機，D/A，A/D功能也不必選用。根據這些分析，我選定了MK60DN512VLL10單片機作為控制器，單片機ARMK60系列的I/O口均可按位尋址，有強大的位操作指令，價格低廉，更可貴的是程序空間也大，對于本設計來說非常合適。

3.2 電機驅動模塊

我選用了BTS7970大功率直流電機驅動。

BTS7970具有以下特點：

（1）具有信號指示和電源指示；（2）轉速可調；（3）抗干擾能力強輸入全光電隔離；（4）內部具有續流保護；（5）可單獨控制一臺直流電機；（6）PWM脈寬平滑調速（可使用PWM信號對直流電機調速）；（7）可實現正反轉；（8）此驅動器非常適合控制智能小車，驅動器壓降小，電流大，驅動能力強。

3.3 傳感器模塊

小車姿態檢測裝置采用了ENC03MB式角速度傳感器陀螺儀和MMA7260的加速度傳感器。

3.3.1 角速度傳感器陀螺儀

ENC03MB將輸出一個模擬電壓信號，它與角速度成正比，是根據科氏力原理設計。

ENC03MB具有以下特點：

（1）體積和重量特別小；（2）響應快；（3）驅動電壓和功耗低。

3.3.2 加速度傳感器

加速度傳感器是對物體由于運動或地球引力而產生的加速度進行測量的。對于MMA7260這款加速度傳感器來說，它是一款三軸低g半導體加速度計，可以向三個方向輸出模擬信號，它的各軸信號輸出靈敏度高達800mV/g，可以通過設置完成。該信號可進行AD直接轉換，被直接送到單片機中，并不需要再放大，只需測量其中一個方向上加速度值就可以計算傾角。例如：Z軸方向的信號。當汽車傾斜時，Z軸方向會形成由于重力加速度g產生的加速度分量，從而產生輸出電壓的變化。因為在車直立時，Z軸水平方向沒有加速度，輸出是0偏電壓信號。

3.4 卡爾曼算法的初值計算方法及實際應用

卡爾曼濾波是一種通過處理誤差數據而獲得所需要參數的一種估算算法。同理，預報值的最佳估計值也可以通過這一基本思想而獲得。只需要處理帶有誤差的預報值就可以。它的最大優勢：可以通過一系列包含噪聲的不完全測量中，估計出動態系統的狀態，也被稱為遞歸濾波器。

3.5 雙輪自平衡小車的PID控制

直立智能小車的核心問題是平衡控制問題和運動控制問題。直立智能小車需要始終保持車身直立。PID控制算法是應用最為普遍的一種算法，其特點是構造簡單，應用有效及具備了許多成熟的穩定性分析的方法，有很高的可靠性。針對直立智能小車的非線性和不穩定性，利用非線性PD控制算法和PID差動結構可以實現小車的平衡控制和運動控制。

5 結語

直立智能小車是一種綜合復雜的系統，它不但解決自平衡，還能夠適應各種環境下的控制任務。集環境感知、行為控制和執行，動態決策和規劃為一體的系統。通過運用外速度傳感器、角速度傳感器等，可以實現小車的平衡自主前進。

參考文獻：

[1]郭天祥.51單片機C語言教程.電子工業出版社，2011.

[2]王元峰.戴旭輝.Altium Designer 10電路設計標準教程.科學出版社，2012.