兩輪自平衡車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文格式為Word版，下載可任意編輯——兩輪自平衡車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2023年11期

科技論壇

兩輪自平衡車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

汪守春毛超群郭青

（三江學(xué)院XX南京210012）

兩輪自平衡小車是一個(gè)集傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)于一體的機(jī)器人，通過多種傳感器進(jìn)行加速度、角度等數(shù)據(jù)采集、讀取、處理后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，由控制器控制電機(jī)的輸出速度和轉(zhuǎn)矩，讓車體保持平衡，并能夠依照操的意圖前進(jìn)、后退或轉(zhuǎn)彎。

自平衡車；傳感器；控制器

0.引言

兩輪自平衡小車是一個(gè)高度不穩(wěn)定兩輪機(jī)器人，是一種多變量、非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，是檢驗(yàn)各種控制方法的典型裝置。同時(shí)由于它體積小、運(yùn)動(dòng)靈活、零轉(zhuǎn)彎半徑等特點(diǎn)，將會(huì)在軍用和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

1.系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

只開關(guān)管工作在斬波狀態(tài)，S1,S4為1組，S2，S3為1組，這2組狀態(tài)互補(bǔ)，當(dāng)1組導(dǎo)通時(shí)，另一組必需截止，當(dāng)S1,S4導(dǎo)通時(shí)，S2,S3截止，電機(jī)兩端加正向電落實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動(dòng)；當(dāng)S1,S4截止，S2,S3導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)兩端為反向電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動(dòng)。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路的需要，我們?cè)O(shè)計(jì)了一大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路的輸入端和MCU連接，輸入信號(hào)有PWM和DIR。PWM為脈寬調(diào)制信號(hào)，用于控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)向，輸出端和電動(dòng)機(jī)相連。整個(gè)電路由電機(jī)驅(qū)動(dòng)規(guī)律電路、光電隔離電路、驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大電路和H橋功率驅(qū)動(dòng)電路組成。

圖（1）自平衡小車系統(tǒng)框圖

維持車體直立行駛可以設(shè)計(jì)出好多的方案，本方案假設(shè)維持車體直立，運(yùn)行的動(dòng)力都來自于車體的兩個(gè)輪子，圖（1）所示為自平衡小車系統(tǒng)框圖。兩個(gè)車輪由大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。因此從控制角度來看，車體作為一個(gè)控制對(duì)象，它的控制輸入量是兩個(gè)電極的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。車體運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)可以分解成以下三個(gè)基本控制任務(wù)：

（1）控制車體平衡：通過控制兩個(gè)電機(jī)正反向運(yùn)動(dòng)保持車體直立平衡狀態(tài)。

（2）控制車體速度：通過調(diào)理車體的傾角來實(shí)現(xiàn)車體速度控制，實(shí)際上最終還是蛻變成通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)車輪速度的控制。

（3）控制車體方向：通過控制兩個(gè)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)差速來實(shí)現(xiàn)車模轉(zhuǎn)向控制。

三個(gè)分解任務(wù)各自獨(dú)立進(jìn)行控制。由于最終都是對(duì)同一個(gè)控制對(duì)象進(jìn)行控制，所以他們之間存在耦合。最終三個(gè)控制參量累加到一起作用到電機(jī)上。

2.系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)

平衡車的整體結(jié)構(gòu)主要包括車身、左右車輪、左右懸架和操縱桿。懸架和車輪之間6顆螺絲相連且可以相互轉(zhuǎn)動(dòng)；操縱桿則是靠2只較大的螺絲和車架固定。

圖（2）H橋式功率驅(qū)動(dòng)原理

3.3主控芯片設(shè)計(jì)

主控制芯片采用飛思卡爾公司高性能單片機(jī)MCF52255。采用CodefireV2系列32位內(nèi)核；主頻80M；片內(nèi)512kFlashROM；片內(nèi)64kSRAM，一個(gè)快速以太網(wǎng)控制器模塊(FEC),可用與以太網(wǎng)應(yīng)用；一個(gè)USBOn-The-Go(USBOTG)，可作為USB主機(jī)或設(shè)備；一個(gè)靈活的CAN總線模塊(QSPI);8通道12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)；4通道直接存取訪問模塊(4channelDMA)；4個(gè)32位支持DMA的輸入捕獲/輸出比較，脈沖寬度調(diào)制(PWM)；2個(gè)16位周期中斷定時(shí)器(PIT)；實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊(RTC)；可編程的軟件看門狗模塊；57個(gè)外設(shè)中斷源；內(nèi)部集成鎖相環(huán)，可將外部8M晶振時(shí)鐘到80M系統(tǒng)時(shí)鐘；BDM或JTAG調(diào)試方式；這些資源基本滿足我們所需的車載要求。

MCF52255采用codewarrior編譯器，支持BDM，JTAG調(diào)試方式，調(diào)試階段，代碼下載到RAM區(qū)，調(diào)試十分便利，程序調(diào)試完畢，可以下載到Flash。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1主控板的主程序算法

主控板的主程序算法如圖（3）所示：

3.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1陀螺儀與加速計(jì)的數(shù)據(jù)采集與處理

陀螺儀采用村田公司的ENC-03，加速計(jì)采用MMA7260。由于陀

螺儀的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好，而加速計(jì)的靜態(tài)響應(yīng)較好，這就需要對(duì)兩個(gè)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行必要的處理。

陀螺儀輸出模擬信號(hào)，且有差分接口，采用差分運(yùn)放可以有效去除信號(hào)中的直流分量，在經(jīng)過硬件積分電路，轉(zhuǎn)換成陀螺儀輸出角度。后一級(jí)接入高通濾波器，去除溫度對(duì)陀螺儀輸出信號(hào)的影響。

加速計(jì)輸出模擬信號(hào)，有X、Y、Z三軸輸出，由于加速計(jì)的靜態(tài)響應(yīng)較好，因此對(duì)于輸出信號(hào)中的高頻分量要去除，在加速計(jì)的后級(jí)參與低通濾波器，來去除車輛抖動(dòng)對(duì)加速計(jì)輸出信號(hào)的影響。

兩路傳感器輸出信號(hào)接入單片機(jī)的AD采集端，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)行對(duì)應(yīng)的數(shù)字濾波后。送入單片機(jī)內(nèi)直立算法控制區(qū)處理。

3.2大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用最廣泛的就是H型全橋式電路，這種驅(qū)動(dòng)電路便利實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分別對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動(dòng)。H橋式功率驅(qū)動(dòng)原理如圖（2）所示，組成H橋驅(qū)動(dòng)電路的4

圖（3）主程序算法（下轉(zhuǎn)第201頁）

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科技論壇

2023年11期

淺談城市商業(yè)綜合體的消防安全問題及防火對(duì)策

劉存義

（泰安市公安消防支隊(duì)

鄭妍

山東泰安

271000）

目前，大型商業(yè)綜合體發(fā)展迅猛，集購物、消遣、餐飲等功能于一身，具有規(guī)模大、單體空間大、使用功能繁雜、火災(zāi)危險(xiǎn)性大、人員密度大的特點(diǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)，極易造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，如四川瀘州·“1226〞摩爾商城爆燃事故，死亡4人，受傷40人，造成了極大地社會(huì)影響。下面，結(jié)合泰安市實(shí)際，研究探討城市商業(yè)綜合體在消防安全方面存在的問題，以及針對(duì)這些問題提出的防火看法和建議。

的建筑主體結(jié)構(gòu)和奪人眼球的外墻裝飾，例如現(xiàn)在較為常用的鋼結(jié)構(gòu)、玻璃或膜材料等，使得整個(gè)建筑跨度大，荷載輕，外立面輕盈通透。但是采用鋼結(jié)構(gòu)、玻璃、膜材料等的同時(shí)，也導(dǎo)致整個(gè)建筑的耐火等級(jí)降低。

3.建議和對(duì)策

一是建立運(yùn)轉(zhuǎn)靈活高效的防災(zāi)管理機(jī)構(gòu)。城市綜合體的管理中建立一個(gè)責(zé)任明了、指揮順暢、運(yùn)轉(zhuǎn)靈活高效的專門火災(zāi)防控的管理機(jī)構(gòu)，不可將此項(xiàng)工作寄付于其它職能管理機(jī)構(gòu)。

二是建立對(duì)于建筑防災(zāi)的戰(zhàn)略意識(shí)。建筑的管理與決策者首先要有防范各類災(zāi)難的憂患意識(shí)，從城市綜合體的選址、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)之時(shí)以及運(yùn)營(yíng)之前就要有防災(zāi)意識(shí)，將防災(zāi)作為重中之重，謀劃防災(zāi)的策略，打牢建筑火災(zāi)防控的硬件。

三是制訂全面可行的消防安全管理制度。商業(yè)綜合體是一個(gè)繁雜的集人、財(cái)、物、裝備為一體的建筑，火災(zāi)的發(fā)生存在眾多偶然因素，要制定全面、系統(tǒng)且具有操作性的消防安全管理制度，保證專門機(jī)構(gòu)切實(shí)履行其職責(zé)。

四是建立專職消防隊(duì)。建立一支有熟練專業(yè)技能、高度責(zé)任感和頑強(qiáng)執(zhí)行力的專職消防隊(duì)伍是確保建筑安全的決定性力量。

五是重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)致建筑災(zāi)難的常見問題。以火災(zāi)為例，導(dǎo)致建筑火災(zāi)的因素?cái)?shù)不勝數(shù)，導(dǎo)致災(zāi)難擴(kuò)大的因素錯(cuò)綜繁雜，但最常見的卻可能就是那么幾種。如：廚房、餐廳用火不慎，違章使用電熱器具，違規(guī)使用易燃可燃液體，臥床抽煙或亂丟煙頭，違章電焊或裝修作業(yè)，樓梯間和消防前室應(yīng)當(dāng)常閉的防火門閉門器失效或長(zhǎng)期處于常開狀態(tài)，防火卷簾下放置影響簾板下降的障礙物，屋頂高位水箱或消防水池?zé)o水，消防泵、噴淋泵、防排煙風(fēng)機(jī)等重要設(shè)備應(yīng)當(dāng)處于自動(dòng)狀態(tài)而由于擔(dān)憂誤啟動(dòng)有意設(shè)置于手動(dòng)狀態(tài)，自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)和消火栓系統(tǒng)的主供水閥門由于擔(dān)憂漏水或檢修后忘掉開啟而處于關(guān)閉狀態(tài)，防排煙風(fēng)機(jī)直接暴露于屋頂而導(dǎo)致與風(fēng)管之間的柔性接頭風(fēng)吹日曬老化或風(fēng)機(jī)本身故障，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)由于擔(dān)憂誤報(bào)而切斷主機(jī)電源，疏散指示標(biāo)志設(shè)置混亂、引導(dǎo)不明等。要重點(diǎn)關(guān)注以上幾項(xiàng)導(dǎo)致建筑災(zāi)難的常見問題，管理機(jī)構(gòu)做好本單位的消防管理工作，消防部門做好監(jiān)視工作。

六是放手發(fā)動(dòng)群眾，提高自防自救能力。要做好從業(yè)員工及經(jīng)營(yíng)業(yè)戶的消防知識(shí)培訓(xùn)工作，使其把握必要的逃命技能及消防安全常識(shí)，提高“四個(gè)能力〞水平。充分調(diào)動(dòng)從業(yè)人員的積極性、主動(dòng)性和責(zé)任意識(shí)，讓每一個(gè)人都從自己身邊的安全做起，使每一個(gè)使用者都具有較強(qiáng)的自防自救能力?？?．目前商業(yè)綜合體建筑的現(xiàn)狀

目前，我市本地區(qū)商業(yè)綜合體建筑有1個(gè)，位于肥城市，建筑高度99.1米，地上21層，地下1層，建筑面積59452平方米，集餐飲、歌舞消遣、影劇院、商(市)場(chǎng)等功能于一體。依法通過消防設(shè)計(jì)審核、驗(yàn)收及投入使用、營(yíng)業(yè)前消防安全檢查。其中餐飲場(chǎng)所分布在5層、7至9層、20至21層，涉及面積為6750平方米，使用自然氣，燃?xì)庑问綖楣艿?。該商業(yè)綜合體建筑防火分區(qū)可以達(dá)到火災(zāi)防控要求；建筑安全出口、疏散通道能滿足人員安全疏散要求。

2.普遍存在的問題

一是存在設(shè)計(jì)難題。由于商業(yè)綜合體建筑形態(tài)變化繁多，存在大量防火設(shè)計(jì)難題。如：室內(nèi)商業(yè)步行街，是供人們進(jìn)行購物、飲食、消遣、美容、憩息等而設(shè)置的場(chǎng)所；縱橫交織，空間巨大的中庭設(shè)計(jì)，使得現(xiàn)行規(guī)范關(guān)于中庭的防火設(shè)計(jì)要求難以實(shí)現(xiàn)。而目前我國(guó)尚無針對(duì)此類商業(yè)綜合體設(shè)計(jì)的專門規(guī)范，疏散設(shè)計(jì)除依據(jù)《商店建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》、《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范外，還要遵循相關(guān)功能涉及的眾多規(guī)范。因現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)大型商業(yè)建筑防火設(shè)計(jì)所采取的措施針對(duì)性不足，有些地方又出臺(tái)了地方性的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)作為補(bǔ)充，如上海市《大中型商場(chǎng)防火技術(shù)規(guī)定》、《重慶市大型商業(yè)建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》等以及公安部《人員密集場(chǎng)所消防安全管理》，而各規(guī)范對(duì)類似措施的做法規(guī)定也不完全一致。

二是人員疏散困難。商業(yè)綜合體內(nèi)建筑空間大，且內(nèi)部各類商業(yè)廣告繁多，常見消防疏散指示標(biāo)志辨識(shí)度不高，導(dǎo)致在火災(zāi)狀況下，人們難以第一時(shí)間選擇合理的疏散路線，而是根據(jù)從眾心理和行為慣性涌現(xiàn)主出入口、電梯、中庭等主要空間，往往造成人員踩踏等非火災(zāi)傷害。此外，在日常管理中，商業(yè)綜合體尋常租賃給獨(dú)立商家，出于經(jīng)營(yíng)和使用功能需要，各獨(dú)立商家往往在建筑投入使用后，采用側(cè)拉門、吊門、自動(dòng)旋轉(zhuǎn)門，甚至在原有疏散通道和安全出口處擺設(shè)貨架、大型廣告牌等阻礙人員疏散的物品，使得疏散總寬度難于滿足消防設(shè)計(jì)最低要求。

三是新技術(shù)應(yīng)用帶來的挑戰(zhàn)。大型商業(yè)綜合體往往為成為一個(gè)城市、一個(gè)地區(qū)的地理坐標(biāo)，在建筑設(shè)計(jì)上力求推陳出新，往往采用別致

●（上接第172頁）4.2PID算法的研究

PID算法多應(yīng)用于確切控制領(lǐng)域，對(duì)于直立車電機(jī)控制，PID算法是個(gè)很好的選擇。PID引入反饋控制，使得控制可以很確切，但是要想確切控制的適用性很廣，控制系統(tǒng)就需要引入幾個(gè)參數(shù)來調(diào)理。PID算法有三個(gè)基本的參數(shù)，分別為Kp(比例系數(shù))，Ki(積分系數(shù))，Kd(微分系數(shù))。下面簡(jiǎn)單介紹下這三個(gè)系數(shù)的作用。

Kp：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)理馬上產(chǎn)生作用用以減少偏差，比例系數(shù)的作用很大，可以加快調(diào)理，減少誤差，但是比例過大，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至不穩(wěn)定。

Ki：消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度，由于有誤差，積分調(diào)理就起到作用，直至誤差消除。積分調(diào)理中止，積分調(diào)理的靈敏度取決于Ti(積分時(shí)間)的大小，Ti越小，積分作用越強(qiáng)，反之越弱。

Kd：微分作用反應(yīng)系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)理作用消除。因此，可以很好改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

4.3車體控制算法包括

車體直立控制算法：（1）電機(jī)測(cè)速脈沖計(jì)數(shù)器讀取與清除。累計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角