沈优 张占胜 沙楠

摘要：本文设计具有循迹功能的平衡车控制系统，主要针对两轮自平衡车的稳定和运动过程中的控制问题进行研究。其中直立系统采用STC8G为核心处理器进行控制，使用六轴姿态传感器ICM20602进行姿态估计，通过卡尔曼滤波算法进行姿态解算，结合PID控制算法，输出PWM信号进行电机控制保持車体平衡;循迹部分利用摄像头采集路径信息，通过图像数据处理，能够实现自主循迹。

关键词：STC8;自平衡控制;运动过程控制;卡尔曼滤波;PID;循迹

随着现代控制技术的发展，平衡车在不同领域的应用愈加广泛，所面临的工作环境和工作任务也随之复杂。在一些比较狭窄、需要大转角工作场景下，传统智能车无法满足要求。两轮自平衡机器人具有占地面积小、转向半径小等特点，在灾难救援，厂区巡检、空间探索等领域具有广阔的应用前景。

两轮自平衡智能车是现代汽车研究领域的热点和难点，如何根据不同的道路环境选择最佳控制方法成为一项新的课题。本文研究的两轮自平衡车，通过摄像头采集路况信息，运用数据处理技术进行路况判断;结合新一代六轴传感器获取姿态角，用卡尔曼滤波器进行姿态融合。能够实现运动灵活、自主循迹，为自平衡智能车设计提供新思路。

本设计的控制系统主要包括电源模块、主控模块、六轴姿态模块、摄像头模块、电机驱动模块以及与上位机通信的串口模块。整体硬件结构如图1所示。

电源模块主要服务于三个部分——主控模块3.3V，姿态模块5V，电机驱动模块12V。主控模块使用宏晶科技出品的STC8G2K系列单片机，采用51内核，该内核的优点是资源丰富、低功耗、低成本。摄像头模块采用OV7725。六轴姿态模块采用InvenSense公司推出的ICM20602传感器，相较于传统智能车采用的MPU6050等模块，ICM20602的优势在于用硬件SPI进行通信，速度快;具有更小的噪声与温漂，读数稳定，抗干扰能力强，模块原理图如图2所示。

智能车当前的姿态角，基于姿态模块提供的3轴加速度、3轴陀螺仪原始数据。将原始数据的两轴加速度计读数，进行反正切计算，得到当前原始姿态角：

由于此计算方法获取的姿态角误差较大，不能实现稳定的自平衡控制。因此，为准确获取当前姿态，需将原始角度与陀螺仪读数通过卡尔曼滤波器进行波形融合，得到较为精确的姿态角。卡尔曼滤波是从一组有限的，包含噪声的，对物体位置的观察序列（含有偏差）预测出物体的位置的去噪声位置。卡尔曼滤波利用原始姿态角的动态信息，设法去掉噪声的影响，得到一个关于当前姿态角的好的估计，得到较为精确的姿态，提升自平衡系统鲁棒性，卡尔曼滤波器工作过程如图3所示。

小车在偏离机械零位（平衡位置）时，需要自平衡系统使其恢复到平衡位置而产生一个回复力。小车回复力的最初来源是电机的转矩，电机的转矩通过齿轮传动到车轮，车轮与地面接触，车轮旋转时必将与地面有力的产生，作用力与反作用力，地面对车轮的摩擦力即是小车平衡系统回复力的来源，系统机械结构如图4所示。

在得到较为准确的姿态后，利用主控模块实现PID控制算法，计算输出到电机的PWM值，实现自平衡控制。在PID自动控制系统中，将卡尔曼滤波器的估计姿态与智能车机械零点进行做差，得到当前角度偏差值;基于此偏差利用PD控制，得到当前PWM值，进行反馈控制，控制程序如图5所示。

摄像头模块OV7725可以实现模拟图像转化为数字图像的功能，每幅图像含有160*60个像素点，每一点对应一个采样值。图像从近向远呈现梯形畸变，前端大，后端小。由于图像以模拟量的形式采集到微处理器中，因此需要利用灰度阈值来进行图像黑白度区分，大于阈值为白色，小于阈值为黑色。由于主控模块资源有限，因此利用OV7725摄像头的行中断引脚进行图像采集。图像经过二值化后，再利用串口模块向上位机发送图像，可对图像进行直观的分析。

伴随着控制理论的发展，越来越多新的控制理论和控制方法被应用于智能汽车的自主循迹控制，两轮自平衡车的稳定和运动过程中的控制问题，是移动平衡车在多种环境下平稳运行以及自主循迹的基础。本文研究的基于卡尔曼滤波的自平衡智能车控制系统，可以实现运动灵活、自主循迹。为低功耗、低成本且精度高的自平衡智能车设计提供新的研究方向。

参考文献：

[1]王子浩，王健.基于STM32的蓝牙平衡小车系统设计[J].电子世界，2020（09）：172-173.

[2]赵翔，杜普选，李虎.基于MEMS加速度计和陀螺仪的姿态检测系统[J].铁路计算机应用，2012.

[3]张磊，蒋刚，肖志峰，等.MEMS陀螺仪与编码器在机器人自主定位中的应用[J].机械设计与制造2011（9）：

[4]高志伟，代学武.自平衡小车LQR-PID平衡与路径跟踪控制器设计[J].控制工程，2020，27（04）：708-714.

[5]张秦艳，林炜豪，刘春，蔡宁，林雪燕.基于两轮自平衡小车的测控系统课程设计教学改革[J].教育教学论坛，2020（15）：119-121.

[6]王开亮，王琪，秦海亭，高进可，朱昱合.基于电磁寻迹的二轮自平衡小车的设计与实现[J].自动化与仪器仪表，2020（01）：77-80.

[7]吴振磊，孙二威，李笑笑.一种基于PID算法的自平衡车控制系统设计[J].甘肃科技纵横，2019，48（08）：22-24.