2014年11期◇科技论坛◇
两轮自平衡车系统的设计
汪守春毛超群郭青
（三江学院江苏南京210012）
【摘要】两轮自平衡小车是一个集传感器系统、控制系统和推进系统于一体的机器人，通过多种传感器进行加速度、角度等数据采集、读取、处理后，将数据发送给控制器，由控制器控制电机的输出速度和转矩，让车体保持平衡，并能够按照操作者的意图前进、后退或转弯。
【关键词】自平衡车；传感器；控制器
0.引言
两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器人，是一种多变量、非线性、强耦合的系统，是检验各种控制方法的典型装置。同时由于它体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。
1.系统功能设计
只开关管工作在斩波状态，S1,S4为1组，S2，S3为1组，这2组状态互补，当1组导通时，另一组必须截止，当S1,S4导通时，S2,S3截止，电机两端加正向电压实现电机的正转或反转制动；当S1,S4截止，S2,S3导通时，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。
根据驱动电路的需要，我们设计了一大功率直流电机驱动电路。驱动电路的输入端和MCU连接，输入信号有PWM和DIR。PWM为脉宽调制信号，用于控制电机的正反转向，输出端和电动机相连。整个电路由电机驱动逻辑电路、光电隔离电路、驱动信号放大电路和H桥功率驱动电路组成。
图（1）自平衡小车系统框图
维持车体直立行驶可以设计出很多的方案，本方案假设维持车体直立，运行的动力都来自于车体的两个轮子，图（1）所示为自平衡小车系统框图。两个车轮由大功率直流电机驱动。因此从控制角度来看，车体作为一个控制对象，它的控制输入量是两个电极的转动速度。车体运动控制任务可以分解成以下三个基本控制任务：
（1）控制车体平衡：通过控制两个电机正反向运动保持车体直立平衡状态。
（2）控制车体速度：通过调节车体的倾角来实现车体速度控制，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）控制车体方向：通过控制两个电机之间的转动差速来实现车模转向控制。
三个分解任务各自独立进行控制。由于最终都是对同一个控制对象进行控制，所以他们之间存在耦合。最终三个控制参量累加到一起作用到电机上。
2.系统机械设计
平衡车的整体结构主要包括车身、左右车轮、左右悬架和操纵杆。悬架和车轮之间6颗螺丝相连且可以相互转动；操纵杆则是靠2只较大的螺丝和车架固定。
图（2）H桥式功率驱动原理
3.3主控芯片设计
主控制芯片采用飞思卡尔公司高性能单片机MCF52255。采用CodefireV2系列32位内核；主频80M；片内512kFlashROM；片内64kSRAM，一个快速以太网控制器模块(FEC),可用与以太网应用；一个USBOn-The-Go(USBOTG)，可作为USB主机或设备；一个灵活的CAN总线模块(QSPI);8通道12位模拟数字转换(ADC)；4通道直接存取访问模块(4channelDMA)；4个32位支持DMA的输入捕获/输出比较，脉冲宽度调制(PWM)；2个16位周期中断定时器(PIT)；实时时钟模块(RTC)；可编程的软件看门狗模块；57个外设中断源；内部集成锁相环，可将外部8M晶振时钟到80M系统时钟；BDM或JTAG调试方式；这些资源基本满足我们所需的车载要求。
MCF52255采用codewarrior编译器，支持BDM，JTAG调试方式，调试阶段，代码下载到RAM区，调试非常方便，程序调试完毕，可以下载到Flash。
4.系统软件设计
4.1主控板的主程序算法
主控板的主程序算法如图（3）所示：
3.系统硬件电路设计
3.1陀螺仪与加速计的数据采集与处理
陀螺仪采用村田公司的ENC-03，加速计采用MMA7260。因为陀
螺仪的动态响应较好，而加速计的静态响应较好，这就需要对两个传感器输出信号进行必要的处理。
陀螺仪输出模拟信号，且有差分接口，采用差分运放可以有效去除信号中的直流分量，在经过硬件积分电路，转换成陀螺仪输出角度。后一级接入高通滤波器，去除温度对陀螺仪输出信号的影响。
加速计输出模拟信号，有X、Y、Z三轴输出，由于加速计的静态响应较好，因此对于输出信号中的高频分量要去除，在加速计的后级加入低通滤波器，来去除车辆抖动对加速计输出信号的影响。
两路传感器输出信号接入单片机的AD采集端，将模拟信号转化为数字信号，再进行对应的数字滤波后。送入单片机内直立算法控制区处理。
3.2大功率电机驱动电路设计
直流电机驱动使用最广泛的就是H型全桥式电路，这种驱动电路方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。H桥式功率驱动原理如图（2）所示，组成H桥驱动电路的4
图（3）主程序算法（下转第201页）
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◇科技论坛◇2014年11期
浅谈城市商业综合体的消防安全问题及防火对策
刘存义
（泰安市公安消防支队
郑妍
山东泰安
271000）
目前，大型商业综合体发展迅猛，集购物、娱乐、餐饮等功能于一身，具有规模大、单体空间大、使用功能复杂、火灾危险性大、人员密度大的特点，一旦发生火灾，极易造成人员伤亡和财产损失，如四川泸州·“1226”摩尔商城爆燃事故，死亡4人，受伤40人，造成了极大地社会影响。下面，结合泰安市实际，研究探讨城市商业综合体在消防安全方面存在的问题，以及针对这些问题提出的防火意见和建议。
的建筑主体结构和夺人眼球的外墙装饰，例如现在较为常用的钢结构、玻璃或膜材料等，使得整个建筑跨度大，荷载轻，外立面轻盈通透。但是采用钢结构、玻璃、膜材料等的同时，也导致整个建筑的耐火等级降低。
3.建议和对策
一是建立运转灵活高效的防灾管理机构。城市综合体的管理中建立一个责任清晰、指挥顺畅、运转灵活高效的专门火灾防控的管理机构，不可将此项工作寄付于其它职能管理机构。
二是建立对于建筑防灾的战略意识。建筑的管理与决策者首先要有防范各类灾害的忧患意识，从城市综合体的选址、规划、设计、建设之时以及运营之前就要有防灾意识，将防灾作为重中之重，谋划防灾的策略，打牢建筑火灾防控的硬件。
三是制订全面可行的消防安全管理制度。商业综合体是一个复杂的集人、财、物、装备为一体的建筑，火灾的发生存在众多偶然因素，要制定全面、系统且具有操作性的消防安全管理制度，保证专门机构切实履行其职责。
四是建立专职消防队。建立一支有熟练专业技能、高度责任感和坚强执行力的专职消防队伍是确保建筑安全的决定性力量。
五是重点关注导致建筑灾难的常见问题。以火灾为例，导致建筑火灾的因素数不胜数，导致灾害扩大的因素错综复杂，但最常见的却可能就是那么几种。如：厨房、餐厅用火不慎，违章使用电热器具，违规使用易燃可燃液体，卧床抽烟或乱丢烟头，违章电焊或装修作业，楼梯间和消防前室应当常闭的防火门闭门器失效或长期处于常开状态，防火卷帘下放置影响帘板下降的障碍物，屋顶高位水箱或消防水池无水，消防泵、喷淋泵、防排烟风机等重要设备应当处于自动状态而因为担心误启动故意设置于手动状态，自动喷水灭火系统和消火栓系统的主供水阀门因为担心漏水或检修后忘记开启而处于关闭状态，防排烟风机直接暴露于屋顶而导致与风管之间的柔性接头风吹日晒老化或风机本身故障，火灾自动报警系统因为担心误报而切断主机电源，疏散指示标志设置混乱、引导不明等。要重点关注以上几项导致建筑灾难的常见问题，管理机构做好本单位的消防管理工作，消防部门做好监督工作。
六是放手发动群众，提高自防自救能力。要做好从业员工及经营业户的消防知识培训工作，使其掌握必要的逃生技能及消防安全常识，提高“四个能力”水平。充分调动从业人员的积极性、主动性和责任意识，让每一个人都从自己身边的安全做起，使每一个使用者都具有较强的自防自救能力。科1．目前商业综合体建筑的现状
目前，我市本地区商业综合体建筑有1个，位于肥城市，建筑高度99.1米，地上21层，地下1层，建筑面积59452平方米，集餐饮、歌舞娱乐、影剧院、商(市)场等功能于一体。依法通过消防设计审核、验收及投入使用、营业前消防安全检查。其中餐饮场所分布在5层、7至9层、20至21层，涉及面积为6750平方米，使用天然气，燃气形式为管道。该商业综合体建筑防火分区可以达到火灾防控要求；建筑安全出口、疏散通道能满足人员安全疏散要求。
2.普遍存在的问题
一是存在设计难题。由于商业综合体建筑形态变化繁多，存在许多防火设计难题。如：室内商业步行街，是供人们进行购物、饮食、娱乐、美容、憩息等而设置的场所；纵横交错，空间庞大的中庭设计，使得现行规范关于中庭的防火设计要求难以实现。而目前我国尚无针对此类商业综合体设计的专门规范，疏散设计除依据《商店建筑设计规范》、《建筑设计防火规范》、《高层民用建筑设计防火规范外，还要遵循相关功能涉及的众多规范。因现行国家标准对大型商业建筑防火设计所采取的措施针对性不足，有些地方又出台了地方性的设计标准作为补充，如上海市《大中型商场防火技术规定》、《重庆市大型商业建筑设计防火规范》等以及公安部《人员密集场所消防安全管理》，而各规范对类似措施的做法规定也不完全一致。
二是人员疏散困难。商业综合体内建筑空间大，且内部各类商业广告繁多，常见消防疏散指示标志辨识度不高，导致在火灾情况下，人们难以第一时间选择合理的疏散路线，而是根据从众心理和行为惯性涌现主出入口、电梯、中庭等主要空间，往往造成人员踩踏等非火灾伤害。此外，在日常管理中，商业综合体通常租赁给独立商家，出于经营和使用功能需要，各独立商家往往在建筑投入使用后，采用侧拉门、吊门、自动旋转门，甚至在原有疏散通道和安全出口处摆设货架、大型广告牌等妨碍人员疏散的物品，使得疏散总宽度难于满足消防设计最低要求。
三是新技术应用带来的挑战。大型商业综合体往往为成为一个城市、一个地区的地理坐标，在建筑设计上力求推陈出新，常常采用新颖
●（上接第172页）4.2PID算法的研究
PID算法多应用于精确控制领域，对于直立车电机控制，PID算法是个很好的选择。PID引入反馈控制，使得控制可以很精确，但是要想精确控制的适用性很广，控制系统就需要引入几个参数来调节。PID算法有三个基本的参数，分别为Kp(比例系数)，Ki(积分系数)，Kd(微分系数)。下面简单介绍下这三个系数的作用。
Kp：是按比例反应系统偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生作用用以减少偏差，比例系数的作用很大，可以加快调节，减少误差，但是比例过大，使得系统的稳定性下降，甚至不稳定。
Ki：消除系统稳态误差，提高无差度，因为有误差，积分调节就起到作用，直至误差消除。积分调节停止，积分调节的灵敏度取决于Ti(积分时间)的大小，Ti越小，积分作用越强，反之越弱。
Kd：微分作用反应系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以很好改善系统的动态性能。
4.3车体控制算法包括
车体直立控制算法：（1）电机测速脉冲计数器读取与清除。累计电机转动角度。累计电机速度，为后面车体速度控制提供平均数；（2）启动AD转换。进行20次模拟量采集，然后计算各个通道的模拟量的平均值。这个过程是对于模拟信号进行低通滤波。（3）车体直立控制过程。包括车体角度计算、直立控制计算、电机PWM输出等。（4）车体速度控制：在这个时间片段中，又进行0-19计数。在其中第0片段中，速度PID调节。因此，速度调节的周期为100毫秒。也就是每秒钟调节10次。（5）车体方向控制：根据前面读取操作杆的电位器值变化，计算偏差数值。然后进行计算电机差模控制电压数值。科●
【参考文献】
［1］马场，清太郎.运算放大器应用电路设计.科学出版社，2011.
［2］何跃，林春梅.PID控制系统的参数选择研究及应用[J].计算机工程设计，2006.［3］魏延辉，刘胜，高延滨等.基于两轮自平衡机器人组合定位方法的研究[J].机械与电子，2010.
［4］蒋伟洋，邓迟，肖晓萍，两轮自平衡车系统制作研究[J].国外电子测量技术，
2012.
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