直立车详细方案，可帮助新手快速做出直立车，先跑起来。
第七届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛
电磁组直立行车参考设计方案
（版本 2.0）
图表索引
第一章
图 1- 1 电磁组车模直立运行模式 7
图 1- 2参考设计方案内容 8
图 1- 3 车模制作路线图 9
第二章
图 2- 1 车模控制任务分解 10
图 2- 2 车模倾角会引起车速速度变化 10
图 2- 3 三层控制之间相互配合 11
图 2- 4 保持木棒直立的反馈控制 12
图 2- 5 通过车轮运动保持车模直立 12
图 2- 6 车模简化成倒立的单摆 13
图 2- 7 普通单摆受力分析 13
图 2- 8 不同阻尼力下的单摆运动 14
图 2- 9 在车轮上的参照系中车模受力分析 14
图 2- 10 车模控制两个系数作用 16
图 2- 11 车模运动方程 16
图 2- 12 加入比例微分反馈后的系统框图 17
图 2- 13 电机在不同电压下的速度变化曲线 18
图 2- 14 加速度传感器原理 19
图 2- 15 MMA7260 三轴加速度传感器 20
图 2- 16 车模运动引起加速度信号波动 21
图 2- 17 实际测量MMA7260Z轴信号 21
图 2- 18 车模运动引起加速度Z轴信号变化 22
图 2- 19 角速度传感器及参考放大电路 22
图 2- 20 角速度积分得到角度 23
图 2- 21 角速度积分漂移现象 23
图 2- 22 通过重力加速度来矫正陀螺仪的角度漂移 24
图 2- 23 双加速度传感器获得车模角加速度 25
图 2- 24 角度控制框图 25
图 2- 25 电机速度检测 26
图 2- 26 车模倾角给定 27
图 2- 27 车模倾角控制速度中的正反馈 28
图 2- 28 车模倾角控制分析 28
图 2- 29 车模运动速度控制简化模型 29
图 2- 30 增加微分控制后的系统 30
图 2- 31 改进的微分控制 30
图 2- 32 车模角度和速度控制框图 31
图 2- 33 速度角度控制方案的改进 32
图 2- 34 改进后的速度和角度控制方案 32
图 2- 35 检测道路中心电磁线方式 33
图 2- 36 通过电机驱动电压的差动控制控制车模方向 34
图 2- 37 检测车模转动速度的陀螺仪 34
图 2- 38 电感线圈的偏角影响感应电动势 35
图 2- 39 车模方向控制算法 35
图 2- 40 车模运动控制总框图 36
第三章
图 3- 1 直立车模控制电路整体框图 39
图 3- 2 56F8013 内部资源示意图 40
图 3- 3 F8013 最小系统电路 41
图 3- 4 F8013 最小系统电路实物 42
图 3- 5 陀螺仪、加速度传感器电路 43
图 3- 6 车模倾角传感器电路实物图 43
图 3- 7 双电机驱动电路 44
图 3- 8单极性PWM、双极性PWM 45
图 3- 9 两片33886 组成的电机驱动电路 45
图 3- 10 速度传感器电路 46
图 3- 11 基于三极管的电磁信号放大检波电路 47
图 3- 12 基于三极管的电磁放大检波电路实物图 48
图 3- 13 使用R-R运放进行电磁信号放大检波 49
图 3- 14 LMV358 放大检波输出波形 49
图 3- 15 基于LMV358 放大检波电路实物图 50
图 3- 16 双加速度测量角速度电路 51
图 3- 17 双加速度计测量角度波形图 51
图 3- 18 简化角速度电路 52
图 3- 19 实测车模角速度信号波形 52
图 3- 20 角度信号处理电路 53
图 3- 21 不同角速度比例情况下输出波形 53
图 3- 22 角度计算环节的传递函数 54
图 3- 23 一个运算放大器实现角度计算 54
图 3- 24 不同P1 阻值对应的输出波形 55
图 3- 25 简化的角度和角速度处理电路 55
图 3- 26 车模控制电路全图 56
第四章
图 4- 1 完整的C型车模底盘 57
图 4- 2 简化后的C型车模底盘 57
图 4- 3 使用热熔胶固定电机支架与车模底盘 58
图 4- 4 去掉后轮之后的车模底盘 58
图 4- 5 电机引线转接板 59
图 4- 6 使用复合胶水固定光电编码盘 59
图 4- 7 固定好的光电码盘和光电检测管 60
图 4- 8 电磁传感器支架 61
图 4- 9 车模组装全图 64
第五章
图 5- 1 主程序框架 65
图 5- 2 中断服务程序 66
图 5- 3 任务中断时间波形 67
图 5- 4 算法框图中与控制相关的软件函数 70
图 5- 5 控制函数调用与参数传递关系 71
图 5- 6 程序中变量命名规范 72
图 5- 7 电机死区补偿 78
第六章
图 6- 1 调试车模参数复杂而关键 82
图 6- 2 需要调整的参数和相关的单位 84
图 6- 3 车模运动坐标定义 85
图 6- 4 电源检查 86
图 6- 5 单片机串口通信 86
图 6- 6 PWM信号输出 87
图 6- 7 采集电机光电码盘信号 87
图 6- 8 陀螺仪、加速度传感器AD采集信号 88
图 6- 9 车模静态参数调整桌面 88
图 6- 10 车模动态参数调试场地 89
图 6- 11 监控软件界面 89
图 6- 12 无线遥控开关 90
图 6- 13 无线通信模块进行参数监控 90
图 6- 14 F8013 内部FLASH应用划分 91
图 6- 15 需要整定的传感器参数 91
图 6- 16 车模保持垂直静止 92
图 6- 17 测量加速度传感器的极值 92
图 6- 18 测量陀螺传感器比例因子，角度补偿回路断开 93
图 6- 19 几种不同陀螺仪比例因子角度输出 94
图 6- 20 车模控制参数 95
图 6- 21 角度参数调整过程 96
图 6- 22 速度参数调整过程 97
图 6- 23 方向参数调整过程 98
图 6- 24 角度补偿时间常数调整 99
图 6- 25 Z轴附加信号分析 100
图 6- 26 死区常数调整 100
附录
图 7- 1 参考设计方案视频截图 103
图 7- 2 参数整定与调试指南 104
图 7- 3 软件控制算法全图 106
图 7- 4 参考方案电路全图 107
第一章、前言
为了提高全国大学生智能汽车竞赛创新性和趣味性，激发高校学生参与比赛的兴趣，提高学生的动手能力、创新能力和接受挑战能力，智能汽车竞赛组委会将电磁组比赛规定为车模直立行走，如图 1- 1所示。其它两个组别的车模行走方式保持不变。
车模直立行走比赛是要求仿照两轮自平衡电动车的行进模式，让车模以两个后轮驱动进行直立行走。近年来，两轮自平衡电动车以其行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。国内外有很多这方面的研究，也有相应的产品。在电磁组比赛中，利用了原来C型车模双后轮驱动的特点，实现两轮自平衡行走。相对于传统的四轮行走的车模竞赛模式，车模直立行走在硬件设计、控制软件开发以及现场调试等方面提出了更高的要求。为了能够帮助参赛学生尽快制作车模参加比赛，竞赛秘书处编写了 C型车模直立行走的参考设计方案。参赛队员可以在此基础上，进一步改进硬件和软件方案，提高竞赛水平。
为了适应初学者，方案介绍过程中，尽可能减少公式推导，使用通俗的科学语言介绍控制原理和方法，给出C型车模制作过程中的核心环节。本文的主要内容安排如图 1- 2所示。
参考设计方案经过了实际验证测试，测试运行视频请在竞赛网站上下载。
附录中给出了用于下载资料的竞赛网站地址以及可以下载的相关资料。 车模制作大致分为方案确定、车模制作、车模调试三个阶段，如图1- 3所示。由于电磁直立车模所涉及到的算法参数众多，所以调试阶段所占比重很大。车模调试不仅对于提高车模性能非常重要，同时也是理解车模控制原理、提高知识运用能力、培养现场实际操作技巧的重要阶段。
为了帮助同学进行车模调试，附录 4 给出了车模调试指南和相关的视频文件网站。可以通过这些资料尽快获得车模参数调整的直观感受。
第二章、原理篇
2.1 直立行走任务分解
电磁组比赛要求车模在直立的状态下以两个轮子着地沿着赛道进行比赛，相比四轮着地状态，车模控制任务更为复杂。为了能够方便找到解决问题的办法，首先将复杂的问题分解成简单的问题进行讨论。
根据比赛规则要求，维持车模直立也许可以设计出很多的方案，本参考方案假设维持车模直立、运行的动力都来自于车模的两个后车轮。后轮转动由两个直流电机驱动。因此从控制角度来看，车模作为一个控制对象，它的控制输入量是两个电极的转动速度。车模运动控制任务可以分解成以下三个基本控制任务，如图 2- 1所示：
（1） 控制车模平衡：通过控制两个电机正反向运动保持车模直立平衡状态；
（2） 控制车模速度：通过调节车模的倾角来实现车模速度控制，实际上最后还是演变成通过控制电机的转速来实现车轮速度的控制。
（3） 控制车模方向：通过控制两个电机之间的转动差速实现车模转向控制。
车模直立和方向控制任务都是直接通过控制车模两个后轮驱动电机完成的。假设车模电机可以虚拟地拆解成两个不同功能的驱动电机，它们同轴相连，分别控制车模的直立平衡、左右方向。在实际控制中，是将控制车模直立和方向的控制信号叠加在一起加载电机上，只要电机处于线性状态就可以同时完成上面两个任务。
车模的速度是通过调节车模倾角来完成的。车模不同的倾角会引起车模的加减速，从而达到对于速度的控制。
三个分解后的任务各自独立进行控制。由于最终都是对同一个控制对象（车模的电机）进行控制，所以它们之间存在着耦合。为了方便分析，在分析其中之一时假设其它控制对象都已经达到稳定。比如在速度控制时，需要车模已经能够保持直立控制；在方向控制的时候，需要车模能够保持平衡和速度恒定；同样，在车模平衡控制时，也需要速度和方向控制也已经达到平稳。这三个任务中保持车模平衡是关键。由于车模同时受到三种控制的影响，从车模平衡控制的角度来看，其它两个控制就成为它的干扰。因此对车模速度、方向的控制应该尽量保持平滑，以减少对于平衡控制的干扰。以速度调节为例，需要通过改变车模平衡控制中车模倾角设定值，从而改变车模实际倾斜角度。为了避免影响车模平衡控制，这个车模倾角的改变需要非常缓慢的进行。这一点将会在后面速度控制中进行详细讨论。
三者之间的配合如图 2- 3所示。
下面分别讨论车模任务分解的三个控制的实现方式。
2.2 车模平衡控制
控制车模平衡的直观经验来自于人们日常生活经验。一般的人通过简单练习就可以让一个直木棒在手指尖上保持直立。这需要两个条件：一个是托着木棒的手掌可以移动；
另一个是眼睛可以观察到木棒的倾斜角度和倾斜趋势（角速度）。通过手掌移动抵消木棒的倾斜角度和趋势，从而保持木棒的直立。这两个条件缺一不可，实际上就是控制中的负反馈机制，参见图 2- 4。
世界上还没有任何一个天才杂技演员可以蒙着眼睛使得木棒在自己指尖上直立，因为没有了眼睛观察进行负反馈。
车模平衡控制也是通过负反馈来实现的，与上面保持木棒直立比较则相对简单。因为车模有两个轮子着地，车体只会在轮子滚动的方向上发生倾斜。控制轮子转动，抵消在一个维度上倾斜的趋势便可以保持车体平衡了。如图 2- 5所示。
那么车轮如何运行，才能够最终保持车体平衡稳定？为了回答这个问题，可以通过建立车模的运动学和动力学数学模型，设计反馈控制来保证车模的平衡。为了使得同学们能够比较清楚理解其中的物理过程。下面通过对比单摆模型来说明保持车模平衡的控制规律。
重力场中使用细线悬挂着重物经过简化便形成理想化的单摆模型。直立着的车模可以看成放置在可以左右移动平台上的倒立着的单摆。如图 2- 6所示。
对普通的单摆受力分析如图2- 7所示。
当物体离开垂直的平衡位置之后，便会受到重力与悬线的作用合力，驱动重物回复平衡位置。这个力称之为回复力，其大小为
在偏移角度很小的情况下，回复力与偏移的角度之间大小成正比，方向相反。在此回复力作用下，单摆便进行周期运动。在空气中运动的单摆，由于受到空气的阻尼力，单摆最终会停止在垂直平衡位置。空气的阻尼力与单摆运动速度成正比，方向相反。阻尼力越大，单摆越会尽快在垂直位置稳定下来。图 2- 8显示出不同阻尼系数下，单摆的运动曲线。
总结单摆能够稳定在垂直位置的条件有两个：
（1） 受到与位移（角度）相反的恢复力；
（2） 受到与运动速度（角速度）相反的阻尼力。
如果没有阻尼力，单摆会在垂直位置左右摆动。阻尼力会使得单摆最终停止在垂直位置。阻尼力过小（欠阻尼）会使得单摆在平衡位置附件来回震荡。阻尼力过大（过阻尼）会使得单摆到达平衡位置时间加长。因而存在一个临界阻尼系数，使得单摆稳定在平衡位置的时间最短。
为什么倒立摆在垂直位置时，在受到外部扰动的情况下，无法保持稳定呢？分析倒立摆的受力，如图2- 9所示。
倒立摆之所以不能象单摆一样可以稳定在垂直位置，就是因为在它偏离平衡位置的时候，所受到的回复力与位移方向相同，而不是相反！因此，倒立摆便会加速偏离垂直位置，直到倒下。
如何通过控制使得倒立摆能够像单摆一样，稳定在垂直位置呢？要达到这一目的，只有两个办法：一个是改变重力的方向；另一个是增加额外的受力，使得恢复力与位移方向相反才行。显然能够做到的只有第二种方法。
控制倒立摆底部车轮，使得它作加速运动。这样站在小车上（非惯性系，以车轮作为坐标原点）分析倒立摆受力，它就会受到额外的惯性力，该力与车轮的加速度方向相反，大小成正比。这样倒立摆所受到的回复力为：
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