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基于TSL模块的平衡车直立控制系统设计
张 泽 宇
（南京师范大学电气与自动化工程学院 江苏 南京 ２１００４２）
摘 要：文章研究了基于ＴＳＬ模块的平衡车直立控制系统的设计,分别进行了ＴＳＬ１４０１线性ＣＣＤ传感器信号采集处理模块设计、电机驱动模块设计、直立车平衡系统控制、控制算法的编制及执行和调试,通过系统硬件机械平台搭建和软件设计,采用ＴＳＬ１４０１线性ＣＣＤ作为小车的循迹模块来识别路径,采集信号并将信号转换为能被单片机识别的数字信号,通过陀螺仪加速度传感器来控制系统的平衡行驶,完成了基本功能和系统调试,测试结果表明系统具有良好的避障成功率和控制精度.
关键词：单片机；陀螺仪；ＴＳＬ模块；直立系统；自动控制技术；自动循迹
中图分类号：TP273
文献标识码：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９/ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１7．02．０49
为了提高全国大学生智能汽车竞赛创新性和趣味性,增强学生的动手能力、创新能力和接受挑战能力,智能汽车竞赛组委在比赛中新增了直立车模组.车模直立行走比赛是要求仿照两轮自平衡电动车的行进模式,让车模以两个后轮驱动进行直立行走.近年来,两轮自平衡电动车以其行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展.在比赛中,利用了车模双后轮驱动的特点,实现两轮自平衡行走.相对于传统的四轮行走的车模竞赛模式,车模直立行走在硬件设计、控制软件开发以及现场调试等方面提出了更高的要求.
在车模的实际运行中,需要借助加速度传感器ＭＭＡ７３６１以及ＭＰＵ６０５０的陀螺仪模块进行角度融合,获取车姿态完成平衡直立.根据多个不同位置的电感采集到的赛道信息进行路径规划,通过两轮电子差速实现转向.
智能循迹是基于自动引导机器人系统,用以实现小车自动识别路线,以及选择正确的路线.智能循迹小车是一个运用传感器、单片机、电机驱动及自动控制等技术来实现按照预先设定的模式下,不受人为管理时能够自动实现循迹导航的高新科技.本文基于智能循迹系统,重点介绍平衡车模的运行设计与推广.
１ 系统选型与设计
１．１ 传感器的主要应用
现在世界上越来越多的国家都在研究智能化、多样化的自动汽车导航.自动车导航是一个非常复杂的系统,不仅应具有正常的运动功能的成分,而且还应具有任务分析、路径规划、信息感知、自主决策等类似人类的智能行为.
ＴＳＬ１４０１ＣＬ线性ＣＣＤ传感器阵列由一个１２８*１的光电二极管阵列、相关的电荷放大器电路和一个内部的像素数据保持功能电路组成,它提供了同时集成起始和停止时间的所有像素.该阵列有１２８个像素,每一个具有光敏面积３５２４．３ｕｍ*ｕｍ,像素之间的间隔是８ｕｍ.操作简化,具有内部控制逻辑,只需一个串行输入端（ＳＩ）的信号和时钟ＣＬＫ.该传感器是包含１２８个光电二极管的线性阵列.在光电二极管的光能量冲击下产生光电流,这是有源积分电路与该像素相关的集成.在积分周期期间,采样电容器连接到积分器的输出通过一个模式转换.在每个像素中积累的电荷量是与光强度和积分时间成正比的.
线性ＣＣＤ传感器探测距离远,能够采集一条直线.ＣＣＤ将车前方的道路景物,包括道路黑线的中心位置、车偏离黑线的程度、弯道的曲率等,通过镜头生成的光学图像投射到图像传感器表面上,然后转变为模拟信号,经过Ａ／Ｄ转换后变为数字信号,送到单片机中加工处理,由ＵＳＢ接口输出.加工处理后的数字信号经由单片机存储到内部ＲＡＭ中,通过软件算法对图像信号进行处理以控制智能车的左右电机的正反转来控制转向,指导行车速度和执行转弯等动作,并对前方道路做出预测判断.
本文基于线性ＣＣＤ图像识别智能小车的设计与开发,就是使用多传感器融合技术和智能控制技术来完成的.
１．２ 整体设计方案
智能循迹小车主要包括了线性ＣＣＤ循迹模块、电机驱动模块、姿态传感器模块、小车车模等.通过线性ＣＣＤ检测路径信息处理得到数据,从而通过电机驱动模块控制电机的状态,最终实现小车可以自动识别路线,完成循迹行车.
车模运动控制任务可以分解成三个基本控制任务：①控制车模平衡：通过控制两个电机正反向运动保持车模直立平衡状态；②控制车模速度：通过调节车模的倾角来实现车模速度控制,实际上最后还是演变成通过控制电机的转速来实现车轮速度的控制；③控制车模方向：通过控制两个电机之间的转速差实现车模转向控制.控制车模直立稳定的条件：①能够精确测量车模倾角的大小和角速度的大小；②可以控制车轮的加速度.
经过原理分析发现,通过测量车模的倾角和倾角速度,可以控制车模车轮的加速度以消除车模的倾角,进而使得车模可以保持直立.因此,车模倾角以及倾角速度的测量成为控制车模直立的关键.测量车模倾角和倾角速度可以通过安装在车模上的加速度传感器和陀螺仪来实现.
１．３ 直立平衡方案
控制车模平衡的直观经验来自于人们日常生活经验.一般的人通过简单练习就可让一个直木棒在手指尖上保持直立.这需要两个条件：一是托着木棒的手掌可以移动；二是眼睛可以观察到木棒的倾斜角度和倾斜趋势（角速度）.通过手掌移动抵消木棒的倾斜角度和趋势,从而保持木棒的直立.这两个条件缺一不可,实际上就是控制中的负反馈机制（见图１、图２）.
为了使运动的车模保持平衡,可以通过建立车模的运动学和动力学数学模型,设计反馈控制来保证车模的平衡.为了使得同学们能够比较清楚理解其中的物理过程.下面通过对比单摆模型来说明保持车模平衡的控制规律（见图３）.
陀螺仪传感器是将偏转角度转换成模拟信号,然后经过Ａ／Ｄ采集将其转换成数字信号；同时又根据加速度计测得的角速度信息进行融合,控制平衡车左右电机的正反转来控制小车的直立（见图４）.
２ 系统软件设计
ＡＤ程序：ＭＫ６０ＤＮ５１２ＶＬＬ１０单片机带Ａ／Ｄ转换的单片机的Ａ／Ｄ转换口在Ｐ１口（Ｐ１．７－Ｐ１．０）,有８路１０位高速Ａ／Ｄ转换器,速度可达到２５０ＫＨｚ（２５万次／s）.８路电压输入型Ａ／Ｄ,可做温度检测、电池、电压检测、按键扫描、频谱检测等.上电复位后Ｐ１口为弱上拉型Ｉ／Ｏ口,用户可以通过软件设置将８路中的任何一路设置为Ａ／Ｄ转换,不需作为Ａ／Ｄ使用的口可继续作为Ｉ／Ｏ口使用.
在无线遥控器程序设置Ｐ１＾０～Ｐ１＾２为ＡＤ转换接口,其中Ｐ１＾０检测摇杆Ｘ轴ＡＤ值,Ｐ１＾１检测摇杆Ｙ轴ＡＤ值,Ｐ１＾２检测基准电压ＴＬ４３１的ＡＤ值,从而测出电源电压.模数转换速度设置为９０个时钟转换一次即Ａ／Ｄ转换速度大约１４０ＫＨｚ.ＡＤ转换结果取前８位值.
３ 调试与实验
调试：小车完成组装后,使用数字万用表测试分立元件的电阻、压降、漏电流、截止／导通状态等参数,看是否存在差值,从而避免原件搭建错误和虚焊的发生.
使用逻辑分析仪用于测试各线性ＣＣＤ传感器信号的接收与传输,从而避免传感器的损坏影响小车的功能实现.
开启小车开关,将其放在实验跑道上进行实地试验调试.首先是直道区加上弯道区的调试：通过两边固定的线性ＣＣＤ传感器对引导线检测来实现电动车沿着引导线到达指定的地点.障碍区的调试：应用车头的超声波传感器当接触到前方有障碍物的时候避开障碍物,运行状况见表１.
４ 结论
从运行的情况看,运行效果比较良好,但是不可避免的还是出现了,出轨、原地旋转等状况,自己分析是由于小车的电压不够和小车的传感器收到外界的影响较大.
在调试硬件模块时,将调试的各个电路模块综合起来,因易出现干扰情况,最好采取“逐步综合”的方法,将一个模块调试完成后,再结合另一个模块,这样更能逻辑的分析出综合时是哪个模块出现了问题.
整个系统的设计以单片机为核心,利用了多种传感器,将软件和硬件相结合.本系统能实现如下功能：自动沿预设轨道行驶小车在行驶过程中,能够自动检测预先设好的轨道,实现直道和弧形轨道的前进.若有偏离,能够自动纠正,返回到预设轨道上来.可以用无线遥控器控制小车状态,当小车探测到前进前方的障碍物时,可以自动报警调整,躲避障碍物,从无障碍区通过.小车通过障碍区后,能够自动循迹.
参考文献
１ 周文军．双轮驱动智能小车循迹算法研究［Ｊ］．河北软件职业技术学院学报,２０１４（２）
２ 许苑丰．一种智能循迹小车设计方案［Ｊ］．电子产品世界,２０１３（１１）
３ 赵敏超．智能寻迹运货小车模型的研究［Ｊ］．科技向导,２０１０（２７）
４ 闫琪,王江．智能车设计—“飞思卡尔杯”从入门到精通［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社,２０１４
５ 隋金雪,杨莉,张岩．“飞思卡尔”杯—智能汽车设计与实例教程［Ｍ］．北京：电子工业出版社,２０１４
（责任编辑 高 平）
系统设计论文范文结:
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