两轮自平衡小车控制系统的设计

　　直立着的小车能简化成放置在可以左右移动平台上的倒立着的单摆[3]。从图3可知，小车在偏离平衡位置时无法在不受外力的情况下稳定在平衡位置，是因为小车受到的回复力F=mgsinθ与小车位移偏离的方向相同，这样会加速使小车向偏离平衡的位置倒下。要想小车可以稳定在平衡位置，必须给小车额外增加一个和回复力相反方向的力。如果产生一个与小车偏离方向相同的加速度a，使小车受到额外的力F额外=-macosθ，此时小车所受到的合力为F合=mgsinθ-macosθ。只要F合<0，即F合的方向与小车偏离平衡位置的方向相反，小车就拥有了回复平衡位置的趋势，进而在空气阻力以及小车机械阻力的作用下，可以在一个平衡点稳定下来。

　　2.2 小车速度控制

　　两轮小车速度控制相对于4轮小车要复杂得多，因为在改变小车速度时，还需要保证小车可以实现平衡控制[4]。在保持小车平衡的前提下，大功率电感器采取改变小车倾角的方式来改变小车的速度。在一定范围内，当小车向前倾的角度越大时，小车前进的速度越大；当小车向后倾的角度越大时，小车前进的速度越小。

　　即使小车在直立控制调节下已经能够保持平衡，但由于安装误差的存在，传感器测量的角度与小车实际角度存在偏差，因此小车实际会在重力的作用下，朝倾斜的方向加速前进。故需要外加速度负反馈以控制小车稳定在平衡位置。速度控制的任务主要有以下3个。

　　（1）小车速度的测量；

　　（2）通过小车直立控制实现小车倾角的改变；

　　（3）根据速度误差控制小车倾角。

　　小车速度的测量可以通过安装在电机输出轴上的光电编码器来实现。本系统采用的是100线的编码器，即编码器上面的齿轮转一圈，编码器可以输出100个脉冲。再利用单片机具有输入捕捉功能的引脚PT7对该脉冲进行采样。在固定时间内，输出脉冲越多，小车的速度就越快，这样就可以测量出小车的速度。

　　小车倾角的控制所示系统实现。从小车直立控制算法中可知，小车的倾斜角度与加速度计Z轴测量输出的角度成比例线性关系[5]。因此，设置一个倾角给定值，小车的倾角给定值与重力加速度Z轴角度相减，便可以最终决定小车的倾角，再通过误差的比例-积分控制使角度自动维持在设定值附近，最后再利用角速度和角度作为输入量，制作一个比例-积分控制器，从而驱动电机维持车模保持给定的倾角。

　　理论上，当小车向前倾角为45°时，速度为2 m/s[2]。但是在实际控制中，由于小车机械传动方面的阻尼力以及轮子的摩擦力等因素的影响，小车无法达到理论要求。为了解决这些干扰对小车速度的影响，需要采用速度负反馈的控制策略，形成一个闭环控制系统。

　　2.3 小车方向控制

　　为使车模沿着赛道行驶，必须检测赛道信息。本系统采用线性摄像头CCD-TSL1401实时采集赛道信息。TSL1401CL是由一个128×1的光电二极管阵列、电荷放大器电路和内部的像素数据保存器组成。它保存了从起始到停止时间的所有像素。操作简单，内部控制逻辑只需要串行输入信号SI和时钟CLK信号[6]。CCD检测采集赛道信息视角图如图所示。

　　CCD提取赛道信息后，将小车速度控制信号与直立控制信号综合，与赛道偏差检测信号进行加和减运算，形成左右轮差动控制电压，使得小车左右轮运行角速度不一致进而控制小车方向，如图7所示。

　　3 小车控制系统算法编程

　　小车的程序控制几乎都是在1 ms时间的中断里完成，主函数只是在不断地通过串口向上位机发送数据，进行实时监控。其中，中断程序分别完成了小车的直立控制、速度控制和方向控制，通过全局标志量的循环计数，确定每次小车需要调用执行的程序模块。中断函数的实现如图所示。

　　其中平面电感器，小车的直立控制是本系统设计与实现的关键，角度计算和转换函数的实现如下所示。

　　void AngleCalculate（void）

　　{

　　float fDeltaValue；

　　g_fGravityAngle=（VOLTAGE_GRAVITY-

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