基于模型設(shè)計(jì)的自平衡車樣機(jī)研發(fā)

王 楊（長安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

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基于模型設(shè)計(jì)的自平衡車樣機(jī)研發(fā)

王 楊
（長安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

針對提高兩輪自平衡車開發(fā)效率以及降低開發(fā)成本，采用基于模型設(shè)計(jì)的方法開發(fā)兩輪自平衡車樣機(jī)。首先建立了兩輪自平衡車的本體模型和控制器模型，并通過仿真分析驗(yàn)證了控制算法的有效性，接著搭建了兩輪自平衡車代碼模型和硬件平臺，進(jìn)行自動代碼生成與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)車實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩輪自平衡車能夠?qū)崿F(xiàn)自平衡功能，驗(yàn)證了基于模型設(shè)計(jì)方法的可行性。

自平衡車；基于模型設(shè)計(jì)；代碼模型；自動代碼生成

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.035

CLC NO.: U469.72Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)08-113-02

引言

兩輪自平衡車系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)的輪式車輛，具有轉(zhuǎn)彎半徑為零、驅(qū)動功率小、適用于多種特殊場合、可反復(fù)充電使用、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景[1-3]。目前，兩輪自平衡機(jī)器人的研究在美國，日本，瑞士等國家得到迅速的發(fā)展。然而，自平衡車開發(fā)方案仍采用傳統(tǒng)的開發(fā)流程，設(shè)計(jì)階段就需要打造硬件平臺，前期資金投入多；測試階段只能在完成原型樣機(jī)之后才能進(jìn)行，查錯與修正的費(fèi)用巨大，造成潛在的市場風(fēng)險；軟件編程采用傳統(tǒng)的手工編程方式，人員素質(zhì)要求高、難度大、效率低、錯誤多[4]。因此針對提高兩輪自平衡車產(chǎn)品開發(fā)效率以及降低開發(fā)成本，結(jié)合當(dāng)前主流V模式開發(fā)流程，本文采用基于模型設(shè)計(jì)的方法，開發(fā)兩輪自平衡車樣機(jī)，并通過搭建硬件實(shí)驗(yàn)平臺，驗(yàn)證了自平衡車樣機(jī)的自平衡功能，同時也驗(yàn)證了基于模型設(shè)計(jì)方法的可行性。

1、基于模型設(shè)計(jì)的方法

誕生于20世紀(jì)90年代中期的基于模型的設(shè)計(jì)技術(shù)，經(jīng)過10多年的發(fā)展逐步完善，已被廣泛接受[5]。基于模型的設(shè)計(jì)以TI公司和MathWorks公司聯(lián)合開發(fā)的Embed Coder工具箱為依托，為嵌入式開發(fā)開拓了新途徑。它可以將傳統(tǒng)開發(fā)流程中的四個相互割裂的階段有機(jī)的結(jié)合了起來，在可視化平臺上（如MATLAB），從需求分析階段就開始驗(yàn)證與測試，讓工程師把精力主要投入到算法和測試用例的研究上，將嵌入式 C代碼的編程工作留給計(jì)算機(jī)去自動完成，有效的減小了人為引入錯誤的可能[4]。這樣不僅提高了代碼的可靠性與一致性，同時加快了軟硬件的開發(fā)速度，縮短了開發(fā)周期。

基于模型的設(shè)計(jì)流程主要包含需求分析，建模與仿真，代碼生成實(shí)現(xiàn)，在每個階段中都需要連續(xù)的測試與驗(yàn)證[6]。（1）需求分析階段，開發(fā)者基于系統(tǒng)的需求分析，借助Matlab/Simulin和Stateflow將需求轉(zhuǎn)為一個系統(tǒng)模型。相對于傳統(tǒng)文檔，Stateflow建立的可執(zhí)行文檔更加準(zhǔn)確，可以使開發(fā)團(tuán)隊(duì)更加無歧義的理解整個開發(fā)需求。（2）系統(tǒng)需求分析完成后，這時需要對系統(tǒng)進(jìn)行更加細(xì)致的建模。一般來說，一個完整的模型包含環(huán)境模型，物理模型，算法模型三個方面，模型搭建越完善，仿真的可靠性越高[7]。（3）嵌入式代碼自動生成。通過分離出代碼模型，利用MathWorks的Real-time workshop Embedded Coder將代碼模型自動生成優(yōu)化的、可移植的產(chǎn)品級C代碼。

2、自平衡車仿真模型搭建

2.1需求分析

根據(jù)基于模型設(shè)計(jì)的開發(fā)流程，首先進(jìn)行自平衡車需求分析，兩輪自平衡車左右兩輪分別由兩個直流電動機(jī)獨(dú)立驅(qū)動，通過安裝在其上的姿態(tài)傳感器來判斷自身姿態(tài)，即車體法向與水平面法向的角度，稱之為平衡角，控制器根據(jù)平衡角實(shí)時計(jì)算控制量，驅(qū)動電機(jī)以保持自身平衡不傾倒，即使平衡角趨向于零，這是控制器的主要控制目標(biāo)。據(jù)此可知兩輪自平衡車開發(fā)需求為：平衡車的自平衡，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退直線行駛的功能；平衡車的轉(zhuǎn)向控制，實(shí)現(xiàn)車輪間的差速。

2.2自平衡車控制器模型

根據(jù)自平衡車控制需求，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了自平衡車控制器模型，如圖1所示，模型中采用PID控制算法對自平衡車進(jìn)行傾角控制。

2.3仿真分析

通過仿真分析可以快速對PID參數(shù)進(jìn)行整定，在整定后的PID參數(shù)下，給點(diǎn)自平衡車速度為0，轉(zhuǎn)向角速度也為0，該給定狀況下的左側(cè)電機(jī)電壓PWM占空比信號如圖2所示。從圖2，自平衡車起始階段出現(xiàn)輕微的擺動，但很快處于平衡狀態(tài)。

3、代碼模型和硬件平臺搭建

3.1代碼模型搭建

根據(jù)基于模型設(shè)計(jì)的開發(fā)流程，在完成仿真模型的設(shè)計(jì)驗(yàn)證之后，需要結(jié)合實(shí)際底層硬件搭建代碼模型，本文采用TI的TMS320F2812芯片作為系統(tǒng)主控芯片。Embedded Coder工具箱是TI公司和MathWork公司聯(lián)合開發(fā)底層驅(qū)動模塊，結(jié)合底層驅(qū)動模塊搭建如圖3所示的代碼模型。

3.2自平衡車樣機(jī)硬件平臺搭建

本文使用MPU6050 芯片檢測車體傾角和傾斜角速度；使用光電碼盤和與之配合的光電管構(gòu)成測速電路實(shí)現(xiàn)對車輪速度的測量；驅(qū)動電路全橋采用集成芯片L298N構(gòu)成兩個H全橋。

4、實(shí)驗(yàn)研究

通過仿真器連接計(jì)算機(jī)和F2812芯片，打開自平衡車代碼模型，點(diǎn)擊模型編譯按鈕，MATLAB/Simulink會自動對代碼模型進(jìn)行編譯并且創(chuàng)建CCS工程文件，并將生成的.out文件自動載入目標(biāo)板，斷開仿真器與F2812芯片之間的連接，并打開陀螺儀，驅(qū)動橋以及控制板的電源，靜止30S后，自平衡車狀態(tài)如圖4所示，可見兩輪自平衡車樣機(jī)能夠很好保持自平衡。

5、結(jié)論

采用基于模型設(shè)計(jì)的方法開發(fā)兩輪自平衡車樣機(jī)，分析了自平衡車的數(shù)學(xué)模型，搭建了自平衡車仿真模型，并驗(yàn)證了仿真模型的有效性，基于Embedded Coder工具箱搭建了代碼模型，并設(shè)計(jì)了自平衡車樣機(jī)硬件平臺，通過代碼自動生成，驗(yàn)證了自平衡車樣機(jī)的自平衡功能和基于模型設(shè)計(jì)方法的有效性。

[1]胡建,顏鋼鋒.基于自抗擾控制算法的兩輪自平衡車分析[J].機(jī)電工程,2014,02:159-164.

[2]劉二林,姜香菊.基于PD算法的兩輪自平衡車直立控制[J].自動化與儀器儀表,2015,01:203-206.

[3]楊興明,段舉,朱建,等.基于模糊調(diào)節(jié)的兩輪自平衡車的終端滑模分解控制[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,10:1187-1193.

[4]劉杰.基于模型的設(shè)計(jì)及其嵌入式實(shí)現(xiàn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2010.

[5]吳德軍.基于模型設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)研究[D].西安:長安大學(xué),2015.

[6]李真芳,蘇濤,黃小寧.DSP程序開發(fā)—MATLAB調(diào)試及直接代碼生成[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2007.

[7]高闖.基于模型設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)空間矢量控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安:長安大學(xué),2014.

Design of self-balancing electric vehicle prototype based on MBD

Wang Yang
(School of Electronic and Control Engineering,Chang'an University,Shaanxi Xi'an 710064)

In order to improve development efficiency and reduce development costs for self-balancing vehicle,this paper adoptsthe method of model based design to designthe two-wheeled self balancing vehicle prototype.Firstly,this paper established the model of self-balancing vehicleand the controller model and verify the effectiveness of the control algorithm by simulation analysis,then,this paper builtthe code model and hardware platform for the self-balancing vehicle.By automatic code generation and experimental verification,real vehicle test results show that two-wheeled self balancing vehicle can achieve self-balance function,and verify the feasibility of model-based design method.

self-balancing electric vehicle; modelbased design;code model; automatic code generation

U469.72

A

1671-7988（2016）08-113-02

王楊，（1990.6-）女，就讀于長安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院。專業(yè)：控制工程與控制理論。