一种具有成本效益的单片机双轮车平衡控制器的设计与实现外文翻译资料

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一种具有成本效益的单片机双轮车平衡控制器的设计与实现

JONG-HANN JEAN，CHIH-KAI WANG

台湾台北市圣约翰大学电子工程系E-MAIL：jhjean@mail.sju.edu.tw，95M05009@student.sju.edu.tw

摘要：在本文中，我们展示了我们开发一款小尺寸，低成本的自平衡两轮车的第一次试验，我们主要关注传感和控制板以及平衡控制器的设计。 考虑到成本效益，我们利用基于SUNPLUSTM SPCE061A EMU板和CPLD Altera EPM7128SLC84的嵌入式系统集成了传感系统和平衡控制系统。 我们的设计有三个目标。 首先，由于系统本质上是不稳定的，因此它可以用作控制相关课程中的教具来演示各种控制方案的设计。 其次，具有自我平衡能力的运动是新颖而有趣的，并有潜力成为玩具。 此外，这个试验可以提供一个原型来验证这些技术，并为将来进一步开发商用两轮车提供可能性。

关键词：两轮车; 平衡控制器; 模糊控制; 嵌入式系统

1. 引言

这些年来空气污染越来越严重，许多国家都提倡生态意识，尤其是1997年通过的“京都议定书”[1]，现在已有80多个国家支持。 美国冰雪数据中心[2]和美国国家航空航天局都发现北极冰区越来越小，这可能会导致严重的气候变化问题，特别是在岛国。

在台湾，空气污染，噪音污染和停车位不足都是严重的问题。 由于这些原因，许多研究机构一直在推动电动汽车或电动摩托车的发展。

由于传统电动汽车的体积较大，功率耐久性相对较差，狄恩bull;卡门发明的赛格威 [3]两轮电动汽车旨在改善这两个问题。然而，由于赛格威的价格昂贵，而且在台湾缺乏相关的交通基础设施和无障碍无障碍环境，赛格威在日常生活中并未广泛使用。

有几位研究人员致力于开发与赛格威相似的两轮电动车。 位于瑞士洛桑的瑞士联邦理工学院的工业电子实验室已经建立了一个双轮车样机，即JOE [4]，该样机被设计为一个可移动的倒立摆。 与此同时，T. BlackWell [5]也使用现成的零件制造了一款平衡滑板车。 Ben-Cazzolato等人。 设计了自平衡滑板车EDGAR [6]。 在台湾，三个研究小组，M. Tsai et al。 [7] W. W. Wang等人[8]和C. Tsai等人[9]致力于开发自平衡两轮电动汽车。 所有这些艰苦的努力和奉献，证明越来越多的人在全球环境中具有共同的意识。

在本文中，我们展示了我们开发一款小尺寸，低成本的自平衡两轮车的第一次试验。 我们设计的目的是三重的。 首先，由于系统本质上是不稳定的，因此它可以用作控制相关课程中的教具来演示各种控制方案的设计。 其次，具有自我平衡能力的运动是新颖而有趣的，并有潜力成为玩具。 此外，这个试验可以提供一个原型来验证这些技术，并为将来进一步开发商用两轮车提供可能性。

我们的自行设计的两轮车的机械结构如图1所示。对于平衡控制器的设计，我们采用一个16位经济高效的嵌入式MCU SUNPLUS SPCE061A [11]，一个CPLD，Altera EPM7128SLC84 [12]集成了各种感官输入/输出系统。 例如，我们通过使用陀螺仪传感器和SPCE061A的内置A / D转换器来测量车辆的角速度。 我们设计一个逻辑利用CPLD进行脉宽测量电路以获得车辆的倾斜角度。

在本文的其余部分安排如下。 第2节介绍了两轮系统的硬件结构和每个组件的功能。然后，在第3节中介绍了基于嵌入式MCU和CPLD的感测和控制板的设计细节。平衡的主要版本第4节描述了使用模糊控制方案的控制器。最后，第5节给出了结论。

二.硬件设计

硬件系统的组件包括车身机械结构，电机驱动系统和传感器系统。 各部分的功能如下所述：

1.车身机械结构

车身的机械结构如图1所示。考虑到放置电机驱动器和电池所需的空间，我们设计了一个30厘米times;30厘米times;10厘米的平台，并在车身顶部安装一个支架以调节中心未来使用的重力。

2.电机驱动系统

车辆的运动由两个采用差动驱动方式的直流电机驱动。 电机的规格为10W，12V，106rpm，1:56齿轮比。 电机安装有每转26个脉冲的磁性编码器。 我们使用的电机驱动器是Pololu 30-A大功率电机驱动器，如图2所示。

我们使用的电池包括一个4500mA / h镍氢电池，通常具有7.4V输出，以提供控制和传感系统的电源，以及一个12V，1.2A / hr密封可充电电池来提供电机功率。

3.传感器系统

为了实现平衡控制的目标的成功，高度依赖于用于测量车辆的倾斜角度和旋转速度的传感器的分辨率和精度。 在我们设计的平台中，我们选择了一个通常用于玩具飞机和直升机的陀螺仪传感器，如图3所示，以测量车体的角速度。 图4显示了陀螺仪传感器的典型输出波形。

另一方面，我们使用一个双轴加速度计，如如图5所示，以测量车体的倾斜角度。 传感器可输出宽度与车辆倾斜角度成比例的脉冲信号。 图6显示了双轴加速度计的典型输出波形。

图1 两轮车辆的机械结构 图2 Pololu 30-A大功率电机驱动器 图3 陀螺仪传感器

（a） （b）

图4 陀螺仪传感器的典型输出波形（a）当车身静止时（b）车身摆动时。

图5 双轴加速计

（a） （b） （c）

图6 双轴加速度传感器的典型输出波形（a）当车身垂直时（b）当车身向前旋转至水平时（c）当车身向后旋转至水平

如上所述，电动机配备有一个磁增量式编码器，如图7所示，它可以输出两个通道的脉冲波形，即A和B，如图8所示。通过监测脉冲数和信号A和B的相对相位，可以跟踪位置位移和旋转方向。

在我们的设计中，我们使用安捷伦HCTL-2032正交解码器以保持对应于两个轮子的角位移的两个里程计数器。 在图9中描绘了正交解码器电路的示意图。因此，微控制器SPCE061A可以周期性地读取这些计数器以计算车轮的角位置和速度。

图7 配备磁性编码器的电机

图8 磁性编码器的输出波形

图9 正交解码器电路的示意图

三.集成传感和控制板的设计

如图10所示，实现了设计的两轮车的原型。考虑到成本效益，我们利用基于SUNPLUSTM值SPCE061A的嵌入式系统集成了传感系统和平衡控制系统EMU板和CPLD，Altera EPM7128SLC84，如图11所示。

SPCE061A EMU电路板的主要组件是低成本的16位MCU SPCE061A，该器件配备32个可编程多功能I / O，一个8通道10位ADC，两个10位DAC，一个UART接收器和发送器以及大量时钟源来产生周期性中断。 SPCE061A的工作频率高达49.152MHz，保证了实时数字信号处理的能力。 因此，SPCE061A适用于数字信号处理和控制领域。整个系统框图如图12所示。

通过陀螺仪测得的车身角速度通过SPCE061A的ADC通道以8KHz的频率直接采样。 由正交编码器HCTL-2032记录的测距计数器通过SPCE061A的8位数据总线读取。 为了获得车身的倾斜角度，双轴加速度计的输出通过CPLD中实施的脉宽测量电路进行预处理，然后由SPCE061A的12位数据总线读取。 在CPLD中还实现了一个PWM生成电路，可以向电机驱动器输出2路12位分辨率的PWM信号。 MCU SPCE061A可通过12位数据总线访问PWM产生电路，以控制两个车轮的运动。

代表CoG调整

集成传感和控制板

电机驱动器

4英寸轮胎

直流电机

图10 设计的两轮车的原型

图11 基于SUNPLUS SPCE061A EMU板和Altera CPLD的集成传感和控制板EPM7128SLC84。

图12 集成传感和控制板的整个系统框图

四.平衡控制器实现

如上所述，我们的设计采用16位经济高效的嵌入式MCU SUNPLUS SPCE061A，不仅集成了感官系统，而且还集成了平衡控制系统。 受限于计算嵌入式单片机的功耗，我们首先尝试基于模糊控制方法实现一个简单的平衡控制器。

模糊控制系统的优点在于它是基于专家的经验而设计的，而不需要整个系统的精确数学模型。 模糊控制系统的设计范例可以在[]中找到。

典型的模糊控制系统由定义系统中语言变量的模糊化方法，表征专家控制策略的若干模糊控制规则以及从模糊输出集合中获得具体输出的去模糊化方法组成。 模糊控制系统的基本配置如图13所示。

平衡控制器的控制目标是通过为两个车轮指定相同的角速度来使车辆转向，使得车身能够稳定在期望的倾斜角度。为此，我们定义两个模糊输入，即倾斜角度误差e和倾斜度角速率e和一个模糊输出两个车轮的角速度。 如图14所示，我们使用三角形隶属函数来定义五个模糊变量，即“负大”，“负小”，“零”，“正小”和“正大”。

根据角度误差和角速度输入，我们建立了一个模糊控制规则查找表来控制车轮的角速度，如表1所示。

表1中总共规定了25条规则。系统中采用的去模糊化方法只是重心法，如下所述。

其中V是角速度输出，wi是指示输入符合第i条规则条件的程度的隶属度值，Bi是与第i条规则的输出相对应的隶属函数的中心。

获得去模糊输出后，，嵌入式MCU相应地将PWM发生电路的占空比设置在CPLD中。 然后PWM控制信号将被发送到电机驱动器，以控制两个车轮的角速度。

图13 模糊控制系统的基本配置

图14 模糊输入/输出的三角形隶属函数

表格1 查找表用于模糊控制规则

结论

在本文中，我们开发并集成了两轮电动车的原型。 由于商用两轮电动车的价格太昂贵，不适合普通家庭，所以两轮电动车不能在我们的日常生活中广泛使用。 出于这个原因，本文试图探讨以低价格考虑开发自平衡控制器的主要核心技术。 在这个主轴上，我们使用了16位经济高效的嵌入式MCU SUNPLUS SPCE061A和一个CPLD来集成所有感官输入/输出系统。 成本效益和自我平衡能力为我们的玩具应用提供了潜力。

参考

1. http://www.tri.org.tw/unfccc/Unfccc/UNFCCC02.htm
2. http://nsidc.org/
3. http://www.segway.com/
4. F. Grasser, A. Drsquo;Arrigo, S. Colombi, and A. C. Rufer, ”JOE:A Mobile, Inverted Pendulum,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 49, no. 1, pp.107-114, February 2002.
5. TBlackwell, ”Building a Balancing Scooter”, 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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