嵌入式两轮循迹自平衡车

处理； 电机 的 Ｐ ＷＭ 输 出 ； 车 模 的直 立 控 制 、 速 度 控制、 方 向控 制 。
分 时复 用 的方式 对左 右两 轮计 数 。
２ ． ４ 陀 螺 仪 与 加 速 度 计 模 块
传感 器 模块 是 智 能 汽 车 的“ 眼睛” ， 可 以 通过
一
软 件控 制 流 程 为 ： 程 序的初始 化、 启 动 与 结
立控 制 、 速度 控制 、 方 向控制 是在 中断程序 中完 成 的， 其主要 读 取和 清除 电机 脉 冲计数 器数 值 ， 积 累 电机 脉 冲 总数 ； 进行 ２ Ｏ次 模 拟 量 的采 集 ， 计 算 各 ＡＤ转换 通道 模 拟 量 的 平 均 值 ； 计 算 小 车倾 斜 角
度和 直立控 制 量 ， 电机 Ｐ ＷＭ 输出； 读 取 电 磁 场 检
由于加 速 度 传 感 器 采 用 低 ｇ值 的 传 感 器
ＭＭ Ａ７ ２ ６ ０ ， 它 的输 出 信 号 很 大 ， 不 需 要 再 进 行 放
大＿ ３ ］ 。 其 中 Ｍ ＭＡ７ ２ ６ ０可 以 测 量 ３ 个 方 向 的加 速
度， 文 中只需要 测量 其 中一个 方 向的加速 度值 ， 即 ｚ轴方 向上 的加 速 度 信 号 。车模 直 立 时 ， 固定 加 速 度计 在 Ｚ轴水 平 方 向。 当车模 发 生 倾 斜 时 ， 重
物体 运 动所 产生 的加 速 度 ， 文 中采 用 的 是 飞思 卡 尔公 司 的 ＭＭＡ７ ２ ６ ０加 速 度 传感 器 ， 该 系列 的传 感器 采用 了半 导 体 微 机 械 加 工 和集 成 电路 技 术 ，
通过 集成 的 开关 电容 放大 电路 量测 电容 参数 的变
化， 形 成 了与 加速 度成 正 比的 电压输 出 ， 具有 体积 小、 重量轻 、 低 ｇ值 、 三 轴测 量等 优点 。
电路相 适应 的控 制软 件 。软件 的编写源 ， 初 步 编
的光 电编码 器对 车速 进行 测量 ， 以保证 测量 精度 ，
并 且直 接 有 方 向输 出 ， 使 用 方 便 。Ｌ Ｍ２ ９ ４ ０ — ５为
写 程序 框架 ； 建 立软 件编译 、 下载、 调试 的环 境 ； 编
程 实现 各个 子模 块 的功 能等 。
３ ． １ 程 序 的 设 计
其 提供 ５ Ｖ 工作 电压 。由于 飞思 卡尔单 片 机芯 片
ＭＣ ９ Ｓ １ ２ ＸＳ １ ２ ８只 有 一 个 脉 冲 计 数 器 ， 我 们 采 用
软 件 的主要 功能 有 ： ３个 传感 器 信 号 的采 集 、
ｖ ｏ ｉ ｄ ｆ ＡＤ ＿ Ｑ Ｉ ＵＨＥ（ ｖ ｏ ｉ ｄ ） ／ ／ 陀螺仪 ， 加 速 度 计 模 拟 量 采 集 二 十 次 求 和
｛
ｗｏ ｒ ｄ ｉ ；
式 中： ｇ— — 重 力 加 速 度 ；
— —
ｆ ｏ ｒ （ ｉ 一 ０； ｉ ＜ ２ ０； ｉ ＋ ＋ ）
断 将 这 些 数 据 由 串 口发 送 到 上 位 机 进 行 监 测 。 直
定 的前 瞻 性 ， 提前感 知前 方 的赛 道信 息 ， 为 智 能
汽 车 的“ 大脑 ” 做 出 决 策 提 供 必 要 的 依 据 和 充 足 的 反应 时 间 ， 同时 ， 使 用 陀螺 仪 和加速 度计 计算 车模 行进 过程 中的实 时 角 速 度 和 加 速度 信 息 ， 用 以保 持 车模稳 定 行进 ［ ２ ］ 。 加 速 度 传 感 器 可 以测 量 由 地 球 引 力 作 用 或 者
ＡＤ
—
与倾 角 成正 比 ， 只 需 要 加 速度 就 可 以获 得 车 模 的 倾角， 再 对此 角度 进 行微 分 ， 即得 到倾 角速 度 。但 车模 实 际运 行过 程 中 ， 由于车 模 本 身 的摆 动所 产 生 的加 速度 会产 生 很 大 的干 扰 信 号 ， 它 叠 加 在 测 量信 号上 使 得输 出 的信号 无法 准确 反 映车模 的倾 角， 因此 ， 对 于小 车直 立控 制所 需要 的倾 角 角度 和
力 加 速 度 ｇ会 在 ｚ 轴 方 向 形 成 加 速 的 分 量 ， 从 而 引起该 轴输 出电压 变化 ， 如下 式所 示 ：
△ 一 ｋ ｇｓ ｉ ｎ ０一 ｋ ｇＯ
波数 值 ， 计 算偏 差数 值 等 。
３ ． ２ 陀 螺 仪 加 速 度
陀螺仪 加 速度计 采 集处 理程 序 ：
束、 状态 监控 ＿ ４ ］ 。 程 序上 电后 ， 先 对 运 用 到 的 单 片 机 模 块 进 行 初始 化 ， 完 成 初 始 化后 ， 进行 直 立 检测 子 程 序 ， 程 序将 读取 加速 度 计 数 值 判 断 小 车是 否 直 立 ， 若 直 立， 则进人 中断服务程序进行速度控 制、 方 向 控 制， 同时 ， 判 断小 车倾 斜 角度 是 否 超 过一 定 范 围 ， 确定 小 车 是 否跌 倒 ， 若跌倒 ， 则 停 止运 行 ， 重 新 进 行 小 车 直 立 检 测 子 程 序 。程 序 在 这 个 主 循 环 中 不
第 ２期
陈振伟 ， 等： 嵌 入 式 两 轮 循 迹 自平 衡 车
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２ ． ３ 测 速 模 块
其 能否 正 常稳定 的运 行 ， 还 需 要 通 过 编 写 与 硬件
速 度检 测模 块 检 测 反 馈 智 能 汽 车 轮 的转 速 ，
用 于速 度 的 闭 环 控 制 ； 本车使用 欧姆龙 ３ ０ ０ Ｐ ／ Ｒ
车 模倾 角 ；
｛
ＡＤ
—
志— — 加 速 度 传 感 器 的 灵 敏 度 系 数 。 当倾 角 非 常 小 时 ， 输 出 电 压 的 变 化 可 以 近 似
ＱＩ ＵＨＥ［ ０ ］＋ 一 Ａ Ｄ Ｃ Ｖａ ｌ ｕ ｅ （ ０ ） ； ／ ／ 采 集
ＡＤ Ｏ通 道 值 的 ２ Ｏ次求 和