基于视觉导航的两轮自平衡小车系统论文(3)

北华大学毕业设计（论文）

2 方案设计与论证

2.1 系统设计

本文设计了一种基于视觉导航的两轮自平衡小车系统，实现了两轮小车的直立行走和自主循迹。自平衡小车系统如图2.1所示，该系统采用飞思卡尔MC9S12XS128单片机作为核心控制单元，分别利用陀螺仪和加速度计测量车体的倾斜角度和角速度，并对测量角度和角速度进行互补滤波融合。通过编码器获取两轮的速度信息与正反转，并对速度进行闭环控制。通过摄像头获得道路实时图像信息，并进行图像预处理，提取出赛道中心线，获取车身位置和偏移量，通过调节左右两轮差速实现转向和自主寻迹。采用串口调试上位机对各种参数进行实时调试。

CCD图像采集模块车体姿态测量模块电机驱动模块反馈测速模块电源模块飞思卡尔 xs128系列处理器无线通信模块无线网络无线通信模块上位机

图2.1 系统结构框图

2.2 传感器的选择

2.2.1 姿态传感器的选择

为实现两轮车的动态自平衡和运动控制，首先必须得到足够精确的姿态信息。根据机器人的应用环境，一般选择陀螺仪、加速度计、电子罗盘、超声波传感器组和光电接近探测器等传感器来采集两轮自平衡机器人的姿态信息。表2.1对这几种测量姿态的传感器的性能进行了比较。

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表2.1 常用测量姿态传感器性能比较 传感器 倾角计 检测量 角度 优点 静态、低速运动性能好，精度高，无累积误差 静态、低速运动性能精度高，更新频率快 动态响应性能好，频带宽，更新频率快 静态、低速运动性能好，精确度高，无漂移误差 缺点 动态响应慢，不适合跟踪高速动态运动，频带窄，更新频率慢 动态响应慢，高速运动有误差，不适合跟踪高速动态运动 测量姿态时存在累积漂移误差，不适于长时间单独工作 动态响应慢，频带窄，受外界磁场影响，不适于室内导航 加速度计 加速度 陀螺仪 电子罗盘 角速度 角度 由于该系统是大滞后的非线性系统，对动态性能和稳态精度要求很高，所以本系统选用了IMU传感器中的加速度计和陀螺仪测量倾角信息。 2.2.2 导航方式及寻迹传感器的选择

目前在移动机器人领域较为先进的导航方式有GPS导航、IMU导航、超声波导航、激光雷达导航、视觉导航、光电导航、电磁导航。由于我们的导航时需要小车在任意给定的赛道上自主沿着赛道中心线稳定行驶，属于有轨迹导航。其中视觉导航、光电导航、电磁导航可以实现在任意轨迹上的自主寻迹导航。表2.2对三种有轨导航方式进行比较。

由于电磁导航的前瞻受到限制，而光电导航硬件过于复杂，不适合两轮自平衡小车的机械结构的优化设计。基于摄像头的视觉导航，由于硬件简单，大前瞻，广视野，能获得丰富的道路信息，在此选择摄像头采集赛道的实时信息来实现小车的自主寻迹。

目前市场的摄像头有两大种：CCD和CMOS。CCD摄像头采集的图像清晰，噪点少，车体行驶时抖动小，对图像采集影响小。而CMOS摄像头虽然体积小，但是动态性能较差，车体行驶时容易出现图像模糊的现象。综合分析，本系统最终采用CCD摄像头作为路面信息采集的传感器。

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表2.2 三种有轨导航方式对比

导航方式 光电导航 电磁导航 视觉导航 优点 检测信息速度快，软件数据 处理简单 成本低，电路设计相对简单，检测信息速度快，受外界影响小 检测前瞻距离远，检测范围宽，检测道路参数多，占用MCU资源少 电路设计相对复杂，检测信息更新速度慢，软件处理速度较多 道路参数检测精度低，检测前瞻距离短 缺点 道路参数检测精度低，检测前瞻距离短，占用MCU端口资源较多，容易受到外界光线影响 2.3 方案论证

2.3.1 平衡控制的方案论证

方案一：由于平衡控制和速度控制两个控制环之间的耦合性很大，导致电机不能变化过大而对平衡造成破坏。考虑将直立控制和速度控制两个控制环进行解耦，直立控制仅依靠外力来维持平衡。在此可以在车子的中心位置安装一舵机，并在舵机的输出处安装一两端挂有重物的连杆，通过舵机带动连杆的移动实现自动调节车体前后重心的目的。让车体重心始终保持在正中心的位置便可保持车体的平衡。电机只负责前进和转向。这样一来，速度控制和转向控制可以有更大的稳定裕度。

方案二：假定系统的动力最初都来源于后轮的两个电机，通过电机的正反转来维持车子的平衡，通过电机的控制实现速度的控制，通过两电机的差速来实现转向的控制。最后将平衡控制信号，速度控制信号，转向控制信号一起叠加后加载到后轮两个电机上。可实现小车直立、行走和自主寻迹。但是由于三个控制环都是耦合在一起的，方向控制和转速控制不能对平衡控制有太大的影响。且平衡控制的优先级最高。

经实践验证，第一种方案在平衡控制方面系统的响应速度很慢，平衡的稳定性和抗干扰性很难得到保障。最终选择方案二，系统的动力只依靠后轮的两个直流电机。通过控制后轮两个电机的转速来实现平衡控制，速度控制和转向控制。

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2.3.2 后轮测速的方案论证

方案一：光电码盘测速方案。在主动轮齿圈附近安装了一对光电传感器（E3f---5i透射式光电开关），当车辆稳定行驶时主动轮齿圈在光学传感器之间旋转，传感器将产生间断的脉冲信号，测量该脉冲信号的周期可以间接地获得主动轮的运动周期，该装置硬件设备简单。

方案二：采用欧姆龙编码器直接测单位时间的脉冲数。由于编码器内部有滤波和整形电路，输出的脉冲是稳定的方波脉冲。可以适应高速运行状态，在工业生产设备上应用广泛。

经实践证明：方案一测速方式很容易受外界环境的干扰，导致测出来的速度和实际速度差别很大，影响车体的动态性能。本系统通过调节两车轮的速度来实现平衡，对速度的精确度要求很高。因此，选择方案二作为测速的传感器。

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3 系统原理分析

3.1 直立行走任务分解

由于小车运行的动力都来自于车模的两个后轮，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机的转动速度。车模运动控制任务可以分解成以下三个基本任务：

任务一：控制小车直立。根据角度传感器测量的角度信号，通过控制两个电机正反转保持车模直立状态。

任务二：控制小车速度。通过调节小车的倾角来实现车模速度控制，由于后轮两驱动电机提供了所有动力，最终通过控制电机的转速来实现车轮速度的控制。

任务三：控制小车转向。通过控制两个电机之间的转动差速实现小车转向控制。 小车直立和方向控制任务都是直接通过控制小车两个后轮驱动电机完成的。假设小车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，分别控制小车的直立平衡、左右方向。在实际控制中，是将控制小车直立和方向的控制信号叠加在一起加载电机上的。

三个任务分解后，各自独立进行控制。由于最终都是对小车的电机进行控制，所以它们之间存在着耦合。为了简化分析，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，需要小车已经能够保持直立控制。保持小车的平衡是三个任务的关键所在，所以三个任务执行的优先级为：平衡控制 >速度控制 >转向控制。由于小车同时受到三种控制的影响，从小车平衡控制的角度来看，其它两个控制就成为它的干扰。因此对小车速度、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。

3.2 小车直立控制

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。

该两轮小车的平衡控制也是通过负反馈实现，通过控制车子两个后轮的前后转动，抵消倾斜的趋势便可以保持车体直立。如图3.1所示，车体向前倾斜，车轮向前加速运行。车体向后倾斜，车轮向右加速运行。

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