重力感應(yīng)滑板

易 植，李滿耀，肖運(yùn)昌

（1.湖南文理學(xué)院芙蓉學(xué)院，湖南 常德 415000；2.湖南文理學(xué)院 計(jì)算機(jī)與電氣工程學(xué)院，湖南 常德 415000；3.北京科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100000）

1 系統(tǒng)功能與總體方案

1.1 系統(tǒng)功能

重力感應(yīng)滑板是一款通過人體重心變化控制前進(jìn)與剎車的代步滑板車，體積小、質(zhì)量小，方便攜帶。現(xiàn)在市場上的電動(dòng)滑板大多采用遙控器進(jìn)行控制，但遙控器易丟失，且在通信時(shí)所產(chǎn)生的電磁輻射較大，而越來越多的遙控器對無線電頻段的占用也會越來越大。此外，市場上的電動(dòng)滑板價(jià)格都比較昂貴。本產(chǎn)品和其他類型電動(dòng)滑板車相比，具有便于控制的優(yōu)點(diǎn)，沒有遙控器的束縛，減少了電磁波輻射，通過重心就可以控制前進(jìn)與剎車，控制更加直接，也符合人類慣性思維方式，即身體前傾滑板車前進(jìn)，身體后傾滑板車剎車。

整個(gè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能是通過重力感應(yīng)控制滑板車電機(jī)的轉(zhuǎn)速和剎車。具體來說，通過傳感器檢測人體重心位置的變化，單片機(jī)加工傳感器采集到的數(shù)據(jù)后給出滑板電機(jī)的相應(yīng)控制信號，進(jìn)而控制滑板的移動(dòng)狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)站在滑板上身體前傾滑板車前進(jìn)，身體后傾滑板車減速剎車，人離開滑板車后滑板停車。

1.2 設(shè)計(jì)方案的總體說明

該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)初期被分為兩大部分單獨(dú)設(shè)計(jì)，即重力感應(yīng)系統(tǒng)和電機(jī)控制系統(tǒng)[1]。前期工作重心放在重力感應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上，后期主要是滑板的速度控制。除滑板板面以外，其他使用的所有材料都以體積小為基本原則，因?yàn)榛逑旅娴捏w積是有限的且本身很小。

2 重力感應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的選擇與介紹

傳感器是重力感應(yīng)滑板最重要的感覺神經(jīng)，它的好壞直接決定了滑板車的品質(zhì)。項(xiàng)目初期，對比多種可以測量重力的傳感器，有體積小巧的金屬應(yīng)變式傳感器、稱重傳感器、工業(yè)級的微型壓力傳感器等。金屬應(yīng)變式傳感器很薄，各種尺寸大小都有，但是出于工作原理考慮，不適合安裝在滑板上，因?yàn)榛逍巫兞课⑿。词谷苏驹诨迳?，滑板板面的形變也微乎其微。此外，?yīng)變片一般粘貼在剛性材料表面，而滑板使用的是木板，直接粘貼后測量誤差較大。微型壓力傳感器與工業(yè)用品相比體積不大，但是與滑板相比體積已經(jīng)不合適。

綜合考慮后，需要的傳感器應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：（1）體積小，越薄越好，便于安裝；（2）測量精度高，微小的重力變化也能測量出來；（3）強(qiáng)度大，耐磨損。最后，選用的傳感器是用于人體稱重的稱重傳感器，如圖1所示。

圖1 稱重傳感器的外形

稱重傳感器本質(zhì)上是一種應(yīng)變式傳感器，外形已經(jīng)加工成橋式可以直接使用，內(nèi)部是半橋式結(jié)構(gòu)?？梢詥蝹€(gè)傳感器配合外部電阻構(gòu)成全橋使用，也可以多個(gè)傳感器構(gòu)成全橋使用。

2.2 單片機(jī)及輔助器件介紹

滑板控制系統(tǒng)采用Freescale公司MK60DN512ZVLQ10型號的單片機(jī)作為核心控制器。MK60DN512ZVLQ10的內(nèi)核是32位的ARM Cortex-M4，具有高能效、易使用、功耗低等特點(diǎn)。K60外部搭載50 MHz的晶振、內(nèi)部100 MHz的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，擁有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力。內(nèi)部具有GPIO、PWM、LED、UART、PIT定時(shí)中斷和DMA等模塊共144個(gè)外部引腳；GPIO分為A、B、C、D、E共5組，都可組輸入與輸出用；3個(gè)PWM模塊共計(jì)12個(gè)通道，可同時(shí)向外輸出3個(gè)不同頻率的PWM信號，其中2個(gè)模塊也具有PWM輸入捕捉功能[2]。本項(xiàng)目中主要涉及GPIO模塊、PWM模塊的輸出功能以及LED模塊。

數(shù)據(jù)采集過程中，采用OLED顯示屏配合單片機(jī)進(jìn)行采集工作，也用到了IAR Embedded開發(fā)軟件進(jìn)行在線數(shù)據(jù)采集。

2.3 重心信號采集電路

重心信號采集電路也是整個(gè)系統(tǒng)重要的一部分。項(xiàng)目初期采用半橋式傳感器搭配等值電阻構(gòu)成橋式電路，輸入電壓為DC 3.3 V，輸出1.2 V左右，橋式輸出端直接與單片機(jī)的ADC引腳連接。經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)，這樣的橋式電路輸出電壓較大，但作用在傳感器上的壓力發(fā)生變化時(shí)，輸出的變化量在毫伏級甚至微伏級，很難進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。因此，這種方案被排除。

采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件程序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，組間比較采用方差分析，多重比較采用LSD-t檢驗(yàn)。計(jì)數(shù)資料以率(%)表示，采用χ2檢驗(yàn)分析。生存資料采用Kaplan-Meier法分析，組間比較采用Log-rank檢驗(yàn)，預(yù)后影響因素分析采用Cox回歸分析，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

把兩個(gè)傳感器并聯(lián)構(gòu)成互補(bǔ)式全橋電路，經(jīng)過仔細(xì)的測量挑選，終于選出2組（4個(gè)）阻值非常接近的傳感器。分別并聯(lián)后，測量其輸出電壓都在毫伏級，壓力變化時(shí)輸出變化也在毫伏級，比較理想。把橋式電路的正負(fù)輸出端接到單片機(jī)的ADC輸入端，可以采集到數(shù)據(jù)，但是施加在傳感器上的力緩慢變化時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)會快速發(fā)生變化，且一直在大幅度波動(dòng)，給進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理造成了很大麻煩。仔細(xì)分析滑板對數(shù)據(jù)的需求，認(rèn)為把人體重心變化的周期控制在秒級即可，即采集到的信號維持在幾秒或者數(shù)秒變化一次就可以滿足系統(tǒng)需求，并不需要維持幾毫秒甚至幾微妙采集一次。因此，嘗試通過增加濾波電路抑制采集到的數(shù)據(jù)變化太快的問題。

設(shè)計(jì)簡單的LC低通濾波器和RC低通濾波器，結(jié)合已有材料，經(jīng)過理論計(jì)算LC濾波器與RC濾波器的截止頻率為1.447 Hz。根據(jù)周期與頻率的關(guān)系[3]：

可知，T≥0.7 s，即只有周期大于0.7 s的數(shù)據(jù)才能通過濾波器。焊接好電路后再次采集數(shù)據(jù)，效果并不理想，數(shù)據(jù)波動(dòng)依然很大。將兩個(gè)濾波器串聯(lián)后再采集數(shù)據(jù)，效果同樣不理想。仔細(xì)分析和實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)內(nèi)部的ADC模塊對電源要求非常高，且存在一定的轉(zhuǎn)換誤差，這種誤差經(jīng)過軟件放大后更大，因此這種方案也被放棄。

查閱大量的資料后，找到了一種專用于應(yīng)變片的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片XH711。XH711是一款專為高精度稱重傳感器而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換芯片，如圖2所示。與同類型其他芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其他類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該芯片輸入選擇開關(guān)可以任意選擇通道A或通道B，與其內(nèi)部的低噪聲可編程放大器相連。通道A的可編程增益為128或64，對應(yīng)的滿額度差分輸入信號幅值分別為20 mV或40 mV，通道B則為固定的32增益。芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器提供電源。把傳感器接到XH711模塊的輸入端、模塊的信號輸出端和時(shí)鐘端接單片機(jī)的I/O口，通過單片機(jī)的兩個(gè)I/O口對XH711芯片進(jìn)行編程和讀取數(shù)據(jù)，再次采集數(shù)據(jù)后，得到了比較穩(wěn)定可靠的壓力數(shù)據(jù)。

圖2 XH711芯片模塊

2.4 數(shù)據(jù)處理思想

把采集到的重力數(shù)據(jù)軟件濾波后分成兩大類：一類是滑板本身的重力，另一類是人站在滑板上以后的重力。將前者的1.2倍作為閾值，用來區(qū)分滑板上有沒有人，以實(shí)現(xiàn)控制者離開滑板后滑板自動(dòng)停車。為防止誤動(dòng)作，閾值太大會影響體重較小的使用者的體驗(yàn)。后者繼續(xù)分區(qū)域進(jìn)行控制，前端傳感器得到的數(shù)值大于某一值，單片機(jī)發(fā)出前進(jìn)控制信號；后端傳感器的值大于某一值時(shí)單片機(jī)發(fā)出剎車控制信號。以上是滑板車基本的控制思想。

3 動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 電 源

滑板車系統(tǒng)采用鋰電池作為電源，因?yàn)殇囯姵鼐哂兄亓枯p、體積小、容量大等特點(diǎn)。前期調(diào)試使用的是SUING品牌的SS1792F，可跟蹤直流穩(wěn)定電源和DUPU牌2 200 mAh、11.1 V的鋰電池?？筛櫡€(wěn)定電源主要在調(diào)試電調(diào)參數(shù)時(shí)使用，鋰電池則在離線調(diào)試中發(fā)揮了巨大作用。

電源直接為電調(diào)供電，經(jīng)過內(nèi)部斬波電路轉(zhuǎn)換為三相交流后輸出到滑板的三相電機(jī)。電調(diào)的控制端集成了DC 6 V的輸出電壓，可以用于單片機(jī)的電源。由于單片機(jī)采用3.3 V供電，因此把電調(diào)輸出的6 V經(jīng)過降壓處理后給單片機(jī)供電。同時(shí)，在6 V輸出端與單片機(jī)之間串聯(lián)了電力二極管，防止調(diào)試時(shí)單片機(jī)經(jīng)電調(diào)內(nèi)部形成回路燒毀單片機(jī)。電能流程如圖3所示。

圖3 電源流程圖

3.2 電調(diào)及電機(jī)的控制

電調(diào)即電子調(diào)速器是用來直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的，這里采用華沃瑞FVTA電調(diào)。該電調(diào)完全防水，擁有全新的程序算法，具有9種啟動(dòng)加速度，加速度及油門線性度，具有電子剎車功能，具有電池電壓過低保護(hù)、過溫保護(hù)、油門失控保護(hù)以及堵轉(zhuǎn)保護(hù)等多重安全保護(hù)功能，同時(shí)支持有感和無感馬達(dá)，擁有獨(dú)立編程接口[2]。

電機(jī)使用N5065型400 kV（RPM/V）的無刷電機(jī)，最大電流90 A，無功電流2 A，功率為1 450 W。這種電機(jī)大多用在航模中，也可用于普通滑板改裝電動(dòng)滑板，因此選擇這種電機(jī)。由于滑板采用人體實(shí)時(shí)控制，所以選擇的是內(nèi)部不帶測速傳感器的無刷電機(jī)，擬用開環(huán)控制電機(jī)的速度。電機(jī)輸出軸通過有齒皮帶與滑板后輪連接，防止傳動(dòng)時(shí)皮帶打滑，有效輸出更大。

4 組裝過程與調(diào)試

4.1 組裝過程

首先安裝的是電機(jī)和車架。電機(jī)固定時(shí)需要保證其強(qiáng)度，必須牢固以防止電機(jī)支架與車架軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)。車輪與車架用帶滾珠的軸承固定，減小了摩擦力和額外的損耗，車輪外側(cè)通過彈性墊圈由螺絲緊固。

其次，安裝滑板板面、傳感器、電調(diào)、電源以及單片機(jī)等。傳感器的安裝過程較為復(fù)雜。傳感器要安裝在車架和板面之間，既要起到固定作用，又要能夠保證準(zhǔn)確測量出重心位置變化。

開始時(shí)，把稱重傳感器直接放置在板面和車架之間，四周用長螺絲固定，傳感器與車架的支點(diǎn)很少。這樣做雖然數(shù)據(jù)采集很準(zhǔn)確但是由于螺絲寧得較松，所以車架與板面松松垮垮，安全性差，傳感器也容易移動(dòng)增加采集數(shù)據(jù)誤差，因此這種結(jié)構(gòu)并未采納。

于是，嘗試保證安全性的前提下適當(dāng)放棄采集精度，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)了解到一種PET材質(zhì)的薄膜式壓力傳感器，如圖4所示。這種傳感器非常薄，不足1 mm，非常適合該項(xiàng)目。傳感器主體部分圓直徑20 mm，引線長120 mm。傳感器區(qū)域最高分辨率面積可達(dá)1 mm×1 mm，在0.1 m2的區(qū)域面積內(nèi)分布6 000個(gè)壓力傳感器，以300 Hz采樣頻率檢測每個(gè)點(diǎn)的受力情況，被測物體質(zhì)量范圍為0.5～150 kg。

圖4 薄膜壓力傳感器

把這種傳感器壓在車架和滑板板面之間，傳感器引線接XH711模塊的輸入進(jìn)行采集測試。當(dāng)壓力變化時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)不做任何變化。多次嘗試后，依然如此。后來用萬用表測量器阻值變化發(fā)現(xiàn)，無壓力時(shí)傳感器兩輸出引腳之間的電阻非常大，相當(dāng)于開路；有壓力時(shí)兩引腳之間的電阻迅速減小到幾十歐姆，作用力稍大，后端口電阻甚至?xí)p小到零點(diǎn)幾歐姆，給測量帶來了很大不便。對比各種橋式電路，電阻值多在1 Ω，阻值變化范圍也很小。這種變化范圍巨大的傳感器明顯不適合做成橋式電路。經(jīng)過多次嘗試無果后，最終放棄使用這種傳感器。

深入思考后，決定重新嘗試最初的方案并認(rèn)真優(yōu)化它。最初把測量精度放在首位，理論上可以得到數(shù)據(jù)，實(shí)際使用中存在不安全因素即結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。于是，最終決定將兩者進(jìn)行折中思考。基于先前的研究，在傳感器下面增加塑料托片用于緩沖，并把固定滑板車架和板面的螺絲繼續(xù)緊固，直到車架和板面不發(fā)生晃動(dòng)。這時(shí)傳感器會有一基礎(chǔ)偏差，數(shù)據(jù)處理時(shí)把傳感器采集到的值減去這個(gè)基礎(chǔ)偏差當(dāng)作實(shí)際測量值，即矯正偏差的方法。再次測量后數(shù)據(jù)基本正常，雖然與實(shí)際的壓力存在一定的誤差，但是理論分析不影響進(jìn)一步控制，可以進(jìn)行下一步。

最后，安裝電調(diào)、電池和單片機(jī)，并在全部組裝好以后為電調(diào)、電池和單片機(jī)設(shè)置整體的防護(hù)罩。

至此，滑板車全部組裝完畢，后續(xù)是程序的編寫和調(diào)試。

4.2 調(diào) 試

調(diào)試過程包括程序仿真和系統(tǒng)離線測試。

程序仿真主要是把控制思想轉(zhuǎn)換為程序，并在PC機(jī)上進(jìn)行邏輯測試?？刂扑枷爰聪劝巡杉降闹亓?shù)據(jù)軟件濾波后分成兩大類，用于區(qū)分滑板車上有沒有人，這是滑板前進(jìn)的基礎(chǔ)條件，以實(shí)現(xiàn)人離開滑板車后滑板的自動(dòng)停車。軟件濾波采用中位值平均濾波算法，又稱防脈沖干擾平均濾波法，是把中位值濾波法和算數(shù)平均濾波法的結(jié)合體，能有效消除由偶然脈沖性干擾所引起的采樣值偏差。同時(shí)，由于它測量速度較慢，正好彌補(bǔ)了單片機(jī)采樣速度太快的缺點(diǎn)，兩者優(yōu)勢互補(bǔ)。

檢測滑板上有沒有人的閾值是大量測量后取的平均值，把它當(dāng)作滑板前進(jìn)的基礎(chǔ)條件，即重量小于這個(gè)值處理器不會做任何處理。如果檢測為有人，前端傳感器得到的數(shù)值大于某一值且后端傳感器得到的數(shù)值小于某一值，單片機(jī)發(fā)出前進(jìn)控制信號；前端傳感器的值小于某一值且后端傳感器的值大于某一值時(shí)單片機(jī)發(fā)出剎車控制信號，前進(jìn)與剎車之間留出一定的空間默認(rèn)前進(jìn)。

離線測試主要用來驗(yàn)證和配合程序修改調(diào)試。

5 結(jié) 論

經(jīng)過近半年的設(shè)計(jì)與研究，重力感應(yīng)滑板現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了依靠人體重心變化而控制前進(jìn)與剎車的設(shè)計(jì)目標(biāo)，具備了使用者身體前傾向前行駛、身體后傾及時(shí)剎車的功能，與市場上銷售的遙控電動(dòng)滑板車在控制方法上有著本質(zhì)區(qū)別，簡化了電動(dòng)滑板的控制方法，減少了電磁波的輻射，基本實(shí)現(xiàn)了代步功能。

重力感應(yīng)滑板現(xiàn)在只是實(shí)現(xiàn)了依靠人體重心變化控制滑板的前進(jìn)和停止，后續(xù)將從身體前傾角度細(xì)化和優(yōu)化速度控制。例如，可以把身體前傾的角度分為幾個(gè)等級，每一級限制一個(gè)最大速度，直到滑板的最大速度。這樣可以實(shí)現(xiàn)不同場合下的使用速度，提高了滑板的娛樂性。此外，也可以優(yōu)化電源，使用輸出電流更大的電池，提高電機(jī)的帶載能力。