CN207860351U - 一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统，主要包括：感应模块，主控制模块，直流减速电机，电机驱动模块，通信模块，上位机和供电模块。本实用新型的一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统，可以实现性能高，价格低，使用方便，在软件界面直接控制物体，软件和硬件的完美对接，大大缩短了信号处理时间，提高了控制系统性能的优点。

Description

一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统

技术领域

本实用新型涉及息平衡小车控制技术领域，具体地，涉及一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统。

背景技术

两轮平衡车属于自主移动机器人的领域，在八十年代后期对于机器人的研究就形成比较系统的科学体系。Segway LLC公司研发生产的赛格威被乔布斯誉为跨时代的科技实用新型。其特点在于解放了人的双手，操作者只需要摆动身体就可以控制车子前进、后退、转弯、停止等动作。目前，两轮平衡车要实现的关键技术有三项：(1)平衡车要实现平衡，要对其运动状态进行分析。两轮平衡车会发生前倾后倾的现象，为抵消小车前倾或后倾产生的力，需要两个轮用同样大小方向相反的力来抵消，以达到平衡的目的；(2)在程序设计中，涉及到LQR控制器，即加权矩阵Q以及R的值的确定，会影响小车的参考速度；(3)PID控制器的参数的调节。参数的变化是直接影响小车是否平衡的重要指标。

myRIO是美国国家仪器公司(NI)推出的一款嵌入式硬件装置，可以帮助快速设计复杂的实际工程系统，同时享有经济实惠的价格。myRIO 1900平台结构上可以分为三层，分别为嵌入式微处理器、FPGA和I/O资源。myRIO 1900能够从传感器读取原始信号并加以处理，变成直接可以使用的信号，大大节省了时间，也简化了其中的繁琐的信号处理环节。另外，myRIO 1900具有WiFi功能，为远程实时地监控和控制小车提供了关键的保障。myRIO1900能够将接收到的传感器的信号经过处理传回上位机，设计者就能在上位机上看到小车的运动状态，以及各个传感器的信号(波形图等)。

该实用新型适用于对两轮自平衡小车状态的控制。现有文献《基于myRIO控制器的自平衡车的PID算法实现》，通过myRIO控制器设计了平衡的PID算法控制，并对比了数字PID算法中位置式PID算法和增量式PID算法的可行性，利用位置式PID算法实现小车平衡的控制。现有文献中涉及技术的缺点是，通过myRIO设计的自平衡车控制中，只片面的对PID算法进行了比较和设计，不能根据实际情况找到小车的平衡位置，并不断的调整PID参数。一旦小车变成静止直立状态时，会前倾或后倾并持续运动，不利于自平衡小车系统控制。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统，以实现性能高，价格低，使用方便，在软件界面直接控制物体，软件和硬件的完美对接，大大缩短了信号处理时间，提高了控制系统性能的优点。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统，主要包括：

myRIO平台和车轮，所述myRIO平台绑定在车轮上。

进一步地，所述myRIO平台包括myRIO主控制器模块，所述myRIO主控制器模块分别与myRIO加速计模块、陀螺仪模块、直流减速电机、供电模块、WIFI通信模块相连接，所述WIFI通信模块还与上位机相连接，所述供电模块、直流减速电机均与电机驱动模块相连接。

进一步地，所述myRIO加速计模块内嵌于myRIO平台。

进一步地，所述myRIO加速计模块分为三个轴(X，Y，Z)，由于myRIO在系统中是直立状态，因此X轴和Y轴在小车平衡时，不参与测量角度，当车身倾倒时，Z轴发生变化，产生车身倾斜的角度，由加速度计的VI(Accelerometer.vi)算出Z轴角度变化。

进一步地，所述陀螺仪模块获取陀螺仪的姿态信息由陀螺仪VI(Gyroscope.vi)来完成，当车身倾倒时，陀螺仪测出车身角度的变化，并将测出的数据传回到所述的myRIO主控制模块中。

进一步地，所述电机驱动模块控制所述直流减速电机的运行，包括直流减速电机的调速、运行、停止、步进或匀速的控制。

进一步地，所述供电模块同时给所述的myRIO主控制模块和电机驱动模块供电，且供电模块采用11.1V可充电聚合锂电池组。

本实用新型的有益技术效果：

1)采用的myRIO能够实现在软件界面直接控制物体，实现软件和硬件的完美对接，这是一些普通平台无法实现的。同时，它能具有WiFi功能，能远程实时监控和控制平衡车的状态。

2)本实用新型能通过陀螺仪检测到小车倾斜时的车身角度和角速度变化，并采用加速度计对陀螺仪的测量结果进行修正，获得准确的角度信息。

3)本实用新型采用myRIO嵌入式硬件装置，性能高，价格低，使用方便，实现在软件界面直接控制物体，实现软件和硬件的完美对接，大大缩短了信号处理时间。

4)本实用新型采用的myRIO加速计模块在使用时无需编程定义可以直接拖拽使用，使用方便，简化了硬件构成，提高了控制系统性能。

本实用新型结构简单，安装方便，性价比高，而且设备日常安全检查维修方便，不影响安装效果和数据的精确性。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型所述一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统的myRIO控制平台示意图；

图2为本实用新型所述一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统的小车硬件模块连接正面实物图；

图3为本实用新型所述一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统的小车硬件通过WIFI和电脑连接控制示意图；

图4为本实用新型所述一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统的硬件结构示意图；

图5为本实用新型所述一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统的小车体态示意图；

图6为本实用新型所述一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统的小车倾角变化示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型通过相应的传感器采集小车的运动参数并输入到myRIO主控制模块中去，在myRIO中进行相应的处理，并输出PWM信号和电机转动方向控制信号到直流减速电机，以此实现对小车平衡状态的控制。同时，将自平衡小车控制状态通过WIFI通信发送到上位机。

如图2所示，一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统，主要包括：myRIO平台和车轮，所述myRIO平台绑定在车轮上。

NI myRIO的控制平台如下图1所示。这个平台类似硬件，内嵌了一个加速计模块，所以在硬件连接图上，从整体性出发，画出了加速计模块。

如图4所示，所述的基于myRIO平台的自平衡小车控制系统硬件部分包括myRIO主控制器模块、myRIO加速计模块、陀螺仪模块、电机驱动模块、直流减速电机和供电模块，所述myRIO主控制器模块分别与myRIO加速计模块、陀螺仪模块、直流减速电机、供电模块、WIFI通信模块相连接，所述WIFI通信模块还与上位机相连接，所述供电模块、直流减速电机均与电机驱动模块相连接。

下面对myRIO加速计模块和陀螺仪模块在本实用新型中应用进行详细说明：

图3所示平台和车轮构成的硬件通过WIFI和电脑连接控制。在电脑上可以在NIlabVIEW软件中直接找到平台默认的加速计模块，所以使用时不需要编程定义，可以直接拖拽。

所述的myRIO加速计模块在使用时无需编程定义就可以直接拖拽使用。所述的myRIO加速计模块分为三个轴(X，Y，Z)，由于myRIO在系统中是直立状态，因此X轴和Y轴在小车平衡时，不参与测量角度。当车身倾倒时，Z轴发生变化，产生车身倾斜的角度，由加速度计的VI(Accelerometer.vi)算出Z轴角度变化。

所述的陀螺仪模块能够帮助所述的myRIO加速计模块来探测角度的变化。获取陀螺仪的姿态信息由陀螺仪VI(Gyroscope.vi)来完成。当车身倾倒时，陀螺仪测出车身角度的变化，并将测出的数据传回到所述的myRIO主控制模块中，当车身倾倒角度不大，车轮所要回复的力不大，当车身倾倒角度大时，车轮要回复的力就大。

myRIO平台绑定在车轮上，在车轮运行的时候，根据三个轴(X，Y，Z)的分布，myRIO平台是垂直地面的，相当于Z轴。X和Y轴在水平地面上。

本实用新型中，设计的原理是：两轮自平衡小车的车体平衡是依赖于两个轮子的独立前进后退来保持。从控制的角度看，小车的输入量是两个电机的转动速度与矢量。当车身向一边倾倒时，车轮向同方向加速滚动，抵消车子倾斜的趋势，使车身回到平衡状态。当车身处于平衡位置时，车轮不做任何运动，当车身再次倾斜时，车轮做上述运动，这是一个不断运动的过程，也就是说小车在不断的运动中找到平衡，这就是所谓的“动态稳定”。即：两轮平衡车会发生前倾后倾的现象，为抵消小车前倾或后倾产生的力，需要两个轮用同样大小方向相反的力来抵消，以达到平衡的目的。

所以，在控制小车平衡的时候，不需要考虑水平地面上的X和Y轴，也就是说对小车平衡的控制只需要考虑在Z轴上角度变化即myRIO平台前后倾斜的现象。而myRIO内置的有加速计模块，可以直接算出Z轴的角度变化。

myRIO加速计模块以及陀螺仪模块测量的区别及联系，如表1所示：

大量研究表明，加速度计和陀螺仪各有其自身的优缺点。加速度计在短时间测量范围内误差较大，而长时间工作计算则较为准确。而对于陀螺仪来说刚好相反，它在短时间内测量时较为准确，但长时间测量时会产生误差，具体如表1所示。因此，在实际应用中，为了获得准确的角度信息，通常采用加速度计对陀螺仪的测量结果进行修正。

表1加速度计和陀螺仪的优缺点比较

加速度传感器的长时间测量稳定的优点，刚好可以用来弥补陀螺仪的长时间测量产生的零点漂移以及A/D采样值单调性误差积累增长的缺陷。

因此，在测量的时候一般会将加速度计和陀螺仪结合起来使用。

所述的直流减速电机是一种动力传达机构，能够利用齿轮的速度作为转换器，将电动机的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩。

所述的电机驱动模块能够控制所述的直流减速电机的运行，包括直流减速电机的调速、运行、停止、步进或匀速的控制。

所述的供电模块采用11.1V可充电聚合锂电池组。所述的供电模块同时给所述的myRIO主控制模块和所述的电机驱动模块供电，其他构成部分的供电由myRIO的I/O口提供的电源引脚供给。

本实用新型通过myRIO加速计模块和陀螺仪模块对小车的角度等信息进行检测，将检测信息送入myRIO主控制模块进行计算并发送到直流减速电机，直流减速电机接收指令后，控制两个轮子向车身倾倒方向运动，用同样大小相反的力来抵消车身倾倒方向的力，最终实现小车的自平衡。

小车姿态示意图如图5所示，小车倾角变化如图6所示。

至少可以达到以下有益效果：

1)采用的myRIO能够实现在软件界面直接控制物体，实现软件和硬件的完美对接，这是一些普通平台无法实现的。同时，它能具有WiFi功能，能远程实时监控和控制平衡车的状态。

2)本实用新型能通过陀螺仪检测到小车倾斜时的车身角度和角速度变化，并采用加速度计对陀螺仪的测量结果进行修正，获得准确的角度信息。

3)本实用新型采用myRIO嵌入式硬件装置，性能高，价格低，使用方便，实现在软件界面直接控制物体，实现软件和硬件的完美对接，大大缩短了信号处理时间。

4)本实用新型采用的myRIO加速计模块在使用时无需编程定义可以直接拖拽使用，使用方便，简化了硬件构成，提高了控制系统性能。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统，其特征在于，主要包括：

myRIO平台和车轮，所述myRIO平台绑定在车轮上；

所述myRIO平台包括myRIO主控制器模块，所述myRIO主控制器模块分别与myRIO加速计模块、陀螺仪模块、直流减速电机、供电模块、WIFI通信模块相连接，所述WIFI通信模块还与上位机相连接，所述供电模块、直流减速电机均与电机驱动模块相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统，其特征在于，所述myRIO加速计模块内嵌于myRIO平台。

3.根据权利要求2所述的一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统，其特征在于，所述myRIO加速计模块分为三个轴(X，Y，Z)，由于myRIO在系统中是直立状态，因此X轴和Y轴在小车平衡时，不参与测量角度，当车身倾倒时，Z轴发生变化，产生车身倾斜的角度，由加速度计的VI算出Z轴角度变化。

4.根据权利要求1所述的一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统，其特征在于，所述陀螺仪模块获取陀螺仪的姿态信息由陀螺仪VI来完成，当车身倾倒时，陀螺仪测出车身角度的变化，并将测出的数据传回到所述的myRIO主控制模块中。

5.根据权利要求1所述的一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统，其特征在于，所述电机驱动模块控制所述直流减速电机的运行，包括直流减速电机的调速、运行、停止、步进或匀速的控制。

6.根据权利要求1所述的一种基于myRIO平台的自平衡小车控制系统，其特征在于，所述供电模块同时给所述的myRIO主控制模块和电机驱动模块供电，且供电模块采用11.1V可充电聚合锂电池组。