电磁导引车控制算法研究与设计+文献综述(5)
电磁导引两轮自平衡智能车的整车结构如图2.2所示。
图2.2 电磁导引两轮自平衡智能车的整车结构
2.3 电磁导引两轮自平衡智能车系统工作原理
电磁导引两轮自平衡智能车系统的控制需要分解为三个控制任务，分别为直立控制、速度控制、方向控制，直立控制和方向控制的控制量都是直接施加在电机上，而速度控制实际上需要通过直立控制来实现。下面从直立控制、速度控制、方向控制这三个方面来简述电磁导引自平衡智能车系统的工作原理。
（1）直立控制
两轮自平衡智能车相当于一个倒立摆。倒立摆在偏离平衡位置时，由于重力在与摆杆垂直方向的分量与位移方向相同，若不给倒立摆施加额外的控制力，则倒立摆会直接倒下。本文中的两轮自平衡智能车通过电机对车轮的控制使得系统给车体提供外力，一部分外力用来抵消重力在车体垂直方向的分量，从而产生回复力，另一部分外力用来产生阻尼力，使车模尽快稳定在平衡位置[21]。
车模姿态信息通过加速度计和陀螺仪集成的车模姿态检测模块来获取，但由于加速度计和陀螺仪的输出无法直接准确反映车模倾角和角速度，故需要对加速度计和陀螺仪的输出进行融合滤波，获得实时准确的车模倾角和角速度信息，最终实现直立控制。
（2）速度控制
速度控制实际上需要通过直立控制来实现。速度控制的过程中必须始终文持车模直立平衡，因此不能够通过直接改变电机转速来实现，故采用的速度控制方案是通过速度误差来控制车模倾角，由此给定的倾角信号使车体前倾或后仰，产生相应的加速度，最终实现速度控制。
（3）方向控制
电磁导引两轮自平衡智能车竞赛时的道路中心线处铺设有一根漆包线，里面通有100mA的20kHz的交变电流，因此在道路中心线周围产生一个交变磁场，再通过车模前方碳杆上水平放置的电磁检测传感器电路板上的两个水平工字型电感结合选频放大电路，得到两个电磁感应线圈上的感应电动势，最终实现车模与赛道电磁中心线偏差角度的检测。
系统在获得左右两个电感上的感应电动势后，将其转换为车体投影与赛道中心线的夹角，利用此夹角偏差信号，最终将控制量作用在左右电机上，实现差速转向来消除此夹角偏差信号。
最终将直立控制、速度控制、方向控制耦合在一起，将三个部分的控制量叠加在一起输出到电机上，电磁导引两轮自平衡智能车系统的工作原理图如图2.3所示。
图2.3 电磁导引两轮自平衡智能车系统工作原理图
2.4 本章小结
本章首先给出了电磁导引两轮自平衡智能车系统的设计要求，同时给出了系统的总体组成结构，介绍了系统中各主要功能模块，最后简要介绍了系统的工作原理。
3 电磁导引两轮自平衡智能车系统数学模型的建立
3.1 后轮驱动系统建模
图3.1为智能车后轮驱动系统控制框图。后轮驱动系统包括单片机的PWM脉冲产生模块、脉冲累加器模块、光电隔离、H桥功率装置、直流电机以及测速编码器。
图3.1 后轮驱动系统控制框图
后轮驱动系统中，主要由以下几个环节组成：
a）单片机PWM脉冲产生环节，其输入为占空比信号 ，输出为PWM脉冲信号；
b）H桥功率装置，其输入为PWM脉冲信号，输出为电机电枢电压 ；
c）直流电机，其输入为电枢电压 ，输出为电机转速 ；
d）测速编码器环节，其输入为电机转速 ，输出为脉冲个数 ；
e）单片机处理环节，其输入为给定转速 与测速环节的脉冲数 ，输出为占空比 。