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基于AB32VG1開發(fā)板設(shè)計(jì)的自平衡自行車機(jī)器人，具有一定的觀賞性。車體姿態(tài)通過串口陀螺儀WT931獲取，由S3010舵機(jī)控制前輪轉(zhuǎn)向，使用RS-385電機(jī)和絕對(duì)值編碼器實(shí)現(xiàn)后輪速度閉環(huán)控制，使用直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)量輪。硬件部分測(cè)試穩(wěn)定，利用STM32裸機(jī)平臺(tái)完成了整機(jī)控制。現(xiàn)階段軟件控制部分利用RTT Studio完成了串口陀螺儀角度數(shù)據(jù)獲取，單極性電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。對(duì)于RTT了解還不夠深入，有待后續(xù)積累經(jīng)驗(yàn)。

1. 電源模塊
   

1. 電池：電池采用3300mah 2s航模電池，該類型電池具有高效的利用率和穩(wěn)定的性能，一直被作為各種航模、電動(dòng)車等的供電設(shè)備

2. 穩(wěn)6V電源模塊：使用TI公司開關(guān)電源TPS5430降壓到6V供舵機(jī)使用。電路原理圖如圖所示。

3. 穩(wěn)5V電源模塊：TPS7350是TI公司生產(chǎn)的高性能線性穩(wěn)壓芯片，其使用方便，電路的設(shè)計(jì)原理如圖所示。
   

2.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路由4片mos管構(gòu)成H橋。通過控制4個(gè)MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，并通過控制輸入的PWM波的占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)兩端的平均電壓，達(dá)到控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速的目的，具體電路圖如圖所示

3.陀螺儀：陀螺儀使用維特智能的WT931串口陀螺儀模塊，模塊集成高精度的陀螺儀、加速度計(jì)、地磁場(chǎng)傳感器，采用高性能的微處理器和先進(jìn) 的動(dòng)力學(xué)解算與卡爾曼動(dòng)態(tài)濾波算法，能夠快速求解出模塊當(dāng)前的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

1. 
   

2. 車模速度控制：車模速度采用PID控制，P為比例參數(shù)，I為積分參數(shù)，D為微分參數(shù)，P項(xiàng)使輸出隨誤差大小變化，I項(xiàng)消除由于摩擦力等因素導(dǎo)致的速度的穩(wěn)態(tài)誤差，使得實(shí)際速度始終跟隨目標(biāo)速度，提高車模運(yùn)行速度的穩(wěn)定性，D項(xiàng)提高速度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力及降低超調(diào)，使速度響應(yīng)及時(shí)且平順。

3. 車模姿態(tài)獲?。?/span>

   參考WT931的操作手冊(cè)寫串口定長(zhǎng)數(shù)據(jù)接收處理即可，以下為與上位機(jī)通信代碼，用于實(shí)際調(diào)試。
   

void SCI_Send_Datas()
{
    static unsigned short int send_data[3][4] = { { 0 }, { 0 }, { 0 } };
    short int checksum=0;
    unsigned char xorsum=0,high,low;

    send_data[0][0] = (unsigned short int)(Roll);
    send_data[0][1] = (unsigned short int)(90);
    send_data[0][2] = (unsigned short int)(0);
    send_data[0][3] = (unsigned short int)(0);

    send_data[1][0] = (unsigned short int)(output);
    send_data[1][1] = (unsigned short int)(0);
    send_data[1][2] = (unsigned short int)(0);
    send_data[1][3] = (unsigned short int)(0);

    send_data[2][0] = (unsigned short int)(0);
    send_data[2][1] = (unsigned short int)(0);
    send_data[2][2] = (unsigned short int)(0);
    send_data[2][3] = (unsigned short int)(0);

    rt_sprintf(tx_buf0, "%c",0x53);
    rt_device_write(serial, 0, tx_buf0, (sizeof(tx_buf0)) );
    rt_sprintf(tx_buf0, "%c",0x54);
    rt_device_write(serial, 0, tx_buf0, (sizeof(tx_buf0)) );

    for (int i = 0; i < 3; i++)
    for (int j = 0; j < 4; j++)
    {
      low=(unsigned char)(send_data[i][j] & 0x00ff);
      high=(unsigned char)(send_data[i][j] >> 8u);

      rt_sprintf(tx_buf0, "%c",low);
      rt_device_write(serial, 0, tx_buf0, (sizeof(tx_buf0)) );
      rt_sprintf(tx_buf0, "%c",high);
      rt_device_write(serial, 0, tx_buf0, (sizeof(tx_buf0)) );

      checksum+=low; checksum+=high;
      xorsum^=low; xorsum^= high;
    }

    rt_sprintf(tx_buf0, "%c",(unsigned char)(checksum & 0x00ff));
    rt_device_write(serial, 0, tx_buf0, (sizeof(tx_buf0)) );
    rt_sprintf(tx_buf0, "%c",xorsum);
    rt_device_write(serial, 0, tx_buf0, (sizeof(tx_buf0)) );
}

4. 車模平衡控制：簡(jiǎn)單的考慮是，不考慮舵機(jī)轉(zhuǎn)向和后輪電機(jī)速度對(duì)于單車平衡的影響，類比于兩輪平衡小車直立環(huán)、速度環(huán)和方向環(huán)的三環(huán)控制，單車采用角速度環(huán)和角度環(huán)串級(jí)作為直立環(huán)，直立環(huán)以動(dòng)量輪為執(zhí)行器，由舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向，后輪電機(jī)提供動(dòng)力。

   如果不考慮動(dòng)量輪的作用，單車的運(yùn)動(dòng)控制此時(shí)是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。按照單車的運(yùn)動(dòng)模型，后輪電機(jī)速度對(duì)單車的直立環(huán)也會(huì)產(chǎn)生影響，速度越快，則向心力越大，所以不同速度下單車傾角所對(duì)應(yīng)的前輪舵機(jī)打角也不同。假設(shè)在勻速狀態(tài)下的參數(shù)正好適合，我們想到可以配合加減速來輔助直立環(huán)，在單車過彎道時(shí)減速，過彎后及時(shí)加速使單車回正，這樣的策略可以讓單車在過彎時(shí)起到壓彎的效果。

   實(shí)際情況是舵機(jī)與兩個(gè)電機(jī)相互耦合作用，值得深入研究研究。

   通過動(dòng)量輪實(shí)現(xiàn)單車平衡控制算法：

        

        void balance_pid(float turn)
        {
             float idata  servo_bias,gyro_bias;
             static float idata last_output=0,last_g_output=0;
             static float  servo_bias_last,gyro_bias_last;
             static float  servo_integration;
             static float gyro_integration;
             float actual;
             //角度環(huán)
             servo_bias = Roll- pid.balance_init0-turn;
             servo_integration+=servo_bias;

             if(servo_integration>600)//外環(huán)積分限幅
               servo_integration=600;
             else if(servo_integration<-600)
               servo_integration=-600;

             pid.output= pid.balance_P * servo_bias + pid.balance_I * servo_integration  + pid.balance_D * ((float)gyro[0]/16.4);//+center.result;

             //角速度環(huán)
              gyro_bias = pid.output -  ((float)gyro[0]/16.4);

    
             gyro_integration+=gyro_bias;
             if(gyro_integration>1000)//內(nèi)環(huán)積分限幅
                  gyro_integration=1000;
             else if(gyro_integration<-1000)
                  gyro_integration=-1000;
             key.servo_pwm =pid.outside_P * gyro_bias +pid.outside_I*gyro_integration+ pid.outside_D * (gyro_bias - gyro_bias_last);
             gyro_bias_last = gyro_bias;
             servo_duty((unsigned short)((short)key.servo_pwm+970));//輸出到動(dòng)量輪電機(jī)

}

車模姿態(tài)的獲取