会行走的不倒翁——思维车的快速原型设计

发布时间：2010-3-19 12:23 发布者：嵌入式公社

挑战：机电一体化设计方式下快速实现思维车模型

方案：CompactRIO 和LabVIEW 提供了统一平台，为团队合作扫除障碍,图形化的LabVIEW开发工具为机电一体化设计提供了一个极佳的平台

赛格威（Segway）公司开发的思维车，作为一种全新的交通工具，自2001 年商业化量产销售以来，被认为是划时代的科技发明。美国伦斯勒理工学院（RPI）的教授Kevin Craig 决定带领学生仿制一个类似装置，挑战机电一体化的设计模式。按照传统的设计流程，一次试验失败可能就要整体返工，不仅耽误时间，而且浪费研究经费。然而借助NI CompactRIO 平台，这一切变得不再困难。

Segway思维车实物

赛格威（Segway）思维车是一种前所未见的崭新交通工具，借助内置的精密固态陀螺仪和高速的中央微处理器，它可以自动驱动马达来达到平衡，驾驶人只要改变自己身体的角度就能够自如地左右旋转或者前进后退。这是一款真正意义上的人类运输器，并且不需要任何平衡技巧。伦斯勒理工学院的Craig教授负责“机电一体化系统设计”课程的教学工作，在这一门交叉学科中，学生们在课程学习中可以接触到电气工程、机械工程、自动控制和计算机科学等多领域的相关知识。在征得Segway 公司许可后，Craig 教授领导的开发团队决定对思维车进行仿制，让学生直接体验机电一体化的设计模式。

Craig 教授展示自己的双轮平衡车

CompactRIO 和LabVIEW 提供了统一平台，为团队合作扫除障碍

一切从零开始，工作量不可小觑。然而在开发伊始，Craig教授就遇到了不小的困难：系统设计工作分为若干部分，如果让某些学生专心负责一部分（例如设计控制器或传感器的外围电路），那么他们就只能得到某一方面的实践经验，这显然与Craig教授的初衷相违背。而且如果某一部分的设计出现失误，可能导致其他人也需要返工，这不但将花费更多时间，也会使Craig教授在经费方面为难。显然，Craig教授需要一个现成的可编程自动控制平台，将学生从具体而细节的工作中解放出来，从而能够有更多精力考虑并设计不同的控制算法——这才是这门课程最重要的内容。令人兴奋的是，Craig 教授找到了NI 可编程自动化控制器CompactRIO。CompactRIO 结合图形化的LabVIEW开发工具为机电一体化设计提供了一个极佳的平台。CompactRIO 机箱小巧而坚固，能非常方便地固定在小车上。此平台还兼具灵活性，可以插接多种模拟或数字I/O 模块，即使反复修改设计也不需要担心因硬件返工而耽误时间，此外还可以将算法代码部署到不同的执行平台上。扫除障碍的Craig 教授终于可以全力指导学生完成整个设计了。

软硬件的无缝结合

为期四个月的开发过程大致可以分为模型仿真验证、原型设计验证、系统整合调试等阶段。在每个阶段，都有NI的软硬件产品协助Craig 教授的团队尽快实现目标。在模型仿真阶段，开发团队利用LabVIEW控制与仿真模块设计了全状态反馈（FSF）控制器，控制算法中采用了线性二次调节（LQR）技术。随后，他们决定搭建两个验证原型：一个形制较小，主要用于测试各种传感器，取得传感器数据并验证控制算法；另一个更接近真实尺寸，电机马力也更强劲，可以搭载真人或重物。

NI LabVIEW软件为基于CompactRIO的应用提供了极为友好的开发环境，使得软硬件联合调试非常顺利。由于整个开发过程使用了统一的软件环境，因此从仿真设计阶段到两次原型验证，代码只需要做很少的修改。例如，将代码从第一个验证原型移植到第二个验证原型只需要将部分I/O 接口重新定义，整个过程仅用了几个小时。可重用的代码大大提高了系统的开发效率。

在平衡车的开发过程中，整个团队发挥才智，战胜了许多困难和挑战，但是Craig教授认为他们最引以为傲的成就在于：从概念设计到建模分析验证、控制设计、原型设计、再到最终系统实现，他们一共只用了短短的四个月！Craig教授将这归功于采用了统一的NI 平台：“NI 软硬件平台天衣无缝的紧密结合，才使我们所做的这一切成为可能。”

双轮平衡车内部结构

遥控操作同样成为可能

仅仅达到复制的要求？不，我们可以设计出更强大的平衡车。团队在LabVIEW PDA模块的帮助下开发了平衡车的遥控装置。通过PDA 就能够直接连线CompactRIO 控制器，观察小车的运行状态（例如车速及电池剩余电量等）。在未来，无线将不是梦想，借助CompactRIO 配合无线路由，未来的使用者甚至不需要站在车上，就可以远程操作装载着重物的平衡车进行移动。

平衡的秘诀

自动平衡车的运动过程主要建立在“动态稳定”的基本原理上。以内置的传感器来判断车身所处的姿态，通过控制器快速计算出适当的指令，驱动电机运动达到平衡的效果。假设我们以站在车上的驾驶者与车辆的总体重心纵轴作为参考线，当这条轴向前倾斜时，电机会产生向前的力量，一方面可以平衡人与车向前倾斜所产生的扭矩，另一方面产生让车辆前进的加速度。相反，当传感器发现驾驶者的重心后倾时，也会产生向后的力量达到平衡效果。因此，驾驶者只要改变自己身体的角度向前或向后倾斜，小车就会根据倾斜的方向前进或后退，而速度则与驾驶者身体倾斜的程度呈正比。只要小车有足够的电力，车上的人就不用担心会倾倒跌落，这与一般需要靠驾驶者自己进行平衡的独轮车或滑板车等工具大大不同。