直立车原理

一，直立车原理部分1.1直立行走任务分解第九届飞思卡尔智能车摄像头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。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。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。1.2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。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sinFmgmg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：1sincosFmgmamgmk(2-1)式中，由于θ很小，所以进行了线性化。假设负反馈控制是车轮加速度a与偏角θ成正比，比例为1k。如果比例1kg，（g是重力加速度）那么回复力的方向便于位移方向相反了。此外，为了使得倒立摆能够尽快地在垂直位置稳定下来，还需要增加阻尼力。虽然存在着空气和摩擦力等阻尼力，相对阻尼力比较小。因此需要另外增加控制阻尼力。增加的阻尼力与偏角的速度成正比，方向相反。因此式（2-1）可变为'12Fmgmkmk(2-2)按照上面的控制方法，可把倒立摆模型变为单摆模型，能够稳定在垂直位置。因此，可得控制车轮加速度的控制算法'12akk(2-3)式中，θ为车模倾角；θ'为角速度；k1、k2均为比例系数；两项相加后作为车轮加速度的控制量。只要保证在1kg、k20条件下，可以使得车模像单摆一样维持在直立状态。其中有两个控制参数k1、k2，k1决定了车模是否能够稳定到垂直平衡位置，它必须大于重力加速度；k2决定了车模回到垂直位置的阻尼系数，选取合适的阻尼系数可以保证车模尽快稳定在垂直位置。这两个系数的作用如图2-10所示。控制车模直立稳定的条件如下：（1）能够精确测量车模倾角θ的大小和角速度θ'的大小；（2）可以控制车轮的加速度。第一个条件，即如何测量车模倾角和倾角速度θ,'θ，参见下一小节“车模角度测量”。如何确定控制参数1k、2k参见“调试篇”中的参数调节。下面先讨论第二个条件的实现，即车轮的加速度控制。车模运行速度和加速度是通过控制车轮速度实现的，车轮通过车模两个后轮电机经由减速齿轮箱驱动，因此通过控制电机转速可以实现对车轮的运动控制。电机的运动控制有三个作用：（1）通过电机加速度控制实现车模平衡稳定。（2）通过电机速度控制，实现车模恒速运行和静止。（3）通过电机差速控制，可以实现车模方向控制。电机运动控制是通过改变施加在其上的驱动电压大小实现的。对于电机的电磁模型、动力学模型以及车模的动力学模型进行分析和简化，可以将电机转速与施加在其上的电压之间的关系简化成如下的一阶惯性环节模型。施加在电机上一个阶跃电压Eu（t），电机的速度变化曲线为1(t)1(t)tTmEkeu(2-4)式中，E为电压；u(t)为单位阶跃函数；1T为惯性环节时间常数；mk为电机转速常数。对应不同的电压，电机的速度变化曲线如图2-13所示。由图2-13可以看出，电机运动明显分为两个阶段：第一个阶段是加速阶段；第二个阶段为恒速阶段。其中，在加速阶段，电机带动车模后轮进行加速运动，加速度近似和施加在电机上的电压成正比，加速阶段的时间长度取决于时间常数T1。该常数由电机转动惯量、减速齿轮箱减速比、车模的转动惯量决定，一般在十几到几百个毫秒。在恒速阶段，电机带动车模后轮进行恒速运行，运行速度与施加在电机上的电压成正比。调整车模角度的控制周期很短，时间一般是几个毫秒，远小于时间常数T1。此时电机基本上运行在加速阶段。由（2-3）计算所得到的加速度控制量a再乘以一个比例系数，即为施加在电机上的控制电压，这样便可以控制车模保持直立状态。电机的加速度实际上是由通过电机的电流所产生的电磁力矩决定。考虑到电机电流的控制需要更高的速度，所以在此就简化电机的控制方案。1.3车模角度和角速度测量通过测量车模的倾角和倾角速度控制车模车轮的加速度来消除车模的倾角。因此，车模倾角以及倾角速度的测量成为控制车模直立的关键。测量车模倾角和倾角速度可以通过安装在车模上的加速度传感器和陀螺仪实现。（1）加速度传感器加速度传感器可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度。竞赛规则规定如果车模使用加速度传感器必须使用飞思卡尔公司产生的加速度传感器。该系列的传感器采用了半导体表面微机械加工和集成电路技术，传感器体积小，重量轻。它的基本原理如图2-14所示。通过微机械加工技术在硅片上加工形成了一个机械悬臂。它与相邻的电极形成了两个电容。由于加速度使得机械悬臂与两个电极之间的距离发生变化，从而改变了两个电容的参数。通过集成的开关电容放大电路量测电容参数的变化，形成了与加速度成正比的电压输出。MMA7260是一款三轴低g半导体加速度计，可以同时输出三个方向上的加速度模拟信号，如图2-15所示。通过设置可以使得MMA7260各轴信号最大输出灵敏度为800mV/g，这个信号无需要在进行放大，直接可以送到单片机进行AD转换。实际上，飞思卡尔公司还有更多系列的低g值的加速度传感器，特别是具有数字接口的传感器可以方便单片机接口设计。只需要测量其中一个方向上的加速度值，就可以计算出车模倾角，比如使用Z轴方向上的加速度信号。车模直立时，固定加速度器在Z轴水平方向，此时输出信号为零偏电压信号。当车模发生倾斜时，重力加速度g便会在Z轴方向形成加速度分量，从而引起该轴输出电压变化。变化的规律为sinukgkg式中，g为重力加速度；θ为车模倾角；k为加速度传感器灵敏度系数系数。当倾角θ比较小的时候，输出电压的变化可以近似与倾角成正比。似乎只需要加速度就可以获得车模的倾角，再对此信号进行微分便可以获得倾角速度。但在实际车模运行过程中，由于车模本身的摆动所产生的加速度会产生很大的干扰信号，它叠加在上述测量信号上使得输出信号无法准确反映车模的倾角，如图2-16所示。下图是实际测量安装在车模上MMA7260的Z轴信号。车模倾角在两个角度位置过渡，看到除了角度变化信号之外，还存在由于运动引起的电压波动，这个电压波动随着车模运动速度增加会变得很大。下面简单分析运动所产生的干扰信号。加速度传感器安装在车模上，距离车轴高度为h。车模转动具有角加速度θ'，运动加速度α。那么在加速度传感器Z轴上出现由于车模运动引起的加速度为hθ'+α，如图2-18所示。为了减少运动引起的干扰，加速度传感器安装的高度越低越好，但是无法彻底消除车模运动的影响。车模运动产生的加速度使得输出电压在实际倾角电压附近波动。这些波动噪声可以通过数据平滑滤波将其滤除。但是平滑滤波一方面会使得信号无法实时反映车模倾角变化，从而减缓对于车模车轮控制。另一方面也会将车模角速度变化信息滤掉。上述两方面的滤波效果使得车模无法保持平衡。因此对于车模直立控制所需要的倾角信息需要通过另外一种器件获得，那就是角速度传感器-陀螺仪。（2）角速度传感器-陀螺仪陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度。竞赛允许选用村田公司出品的ENC-03系列的加速度传感器。它利用了旋转坐标系中的物体会受到科里奥利力的原理，在器件中利用压电陶瓷做成振动单元。当旋转器件时会改变振动频率从而反映出物体旋转的角速度。ENC-03角速度传感器以及相关参考放大电路如图2-19所示。在车模上安装陀螺仪，可以测量车模倾斜角速度，将角速度信号进行积分便可以得到车模的倾角。如图2-20所示。由于陀螺仪输出的是车模的角速度，不会受到车体运动的影响，因此该信号中噪声很小。车模的角度又是通过对角速度积分而得，这可进一步平滑信号，从而使得角度信号更加稳定。因此车模控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺仪所得到的信号。由于从陀螺仪角速度获得角度信息，需要经过积分运算。如果角速度信号存在微小的偏差和漂移，经过积分运算之后，变化形成积累误差。这个误差会随着时间延长逐步增加，