二輪自平衡車(chē)，顧名思義就是僅有兩個(gè)車(chē)輪，需要時(shí)刻主動(dòng)去保持平衡的車(chē)，不同于自行車(chē)摩托車(chē)等車(chē)輪前后排列的二輪平衡車(chē)，本文討論的是兩輪共軸的平衡車(chē)，如圖l所示。 

圖1二輪平衡車(chē)示意圖
這樣的兩輪車(chē)可想而知如果不加控制，必然會(huì )向前或后傾斜并加速倒下，但是車(chē)輪的合理旋轉對車(chē)軸——即車(chē)身底部產(chǎn)生的扭矩與推力又可以阻止車(chē)身倒下的趨勢并糾正車(chē)身相對于平衡位置的角度偏差。這也就是自平衡的過(guò)程，而且由于平衡位置的脆弱性與擾動(dòng)的必然性，控制器必須時(shí)時(shí)擔負起檢測與糾偏作用。 

    目前二輪平衡車(chē)研究領(lǐng)域國內外不僅已經(jīng)有了許多成功的理論研究及實(shí)踐成果，而且還出現了成功的商業(yè)化產(chǎn)品--Segway。而本文中討論的應用于二輪平衡車(chē)開(kāi)發(fā)平臺的ZigBee模塊無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )，可以很好地為控制算法的開(kāi)發(fā)與調試提供方便。 

    為開(kāi)發(fā)平臺增加人機界面十分重要，而顯示屏顯然不可能安裝在運行中的小車(chē)上，這就必須有一臺固定的上位計算機，上位機與小車(chē)MCU之間的數據交流由無(wú)線(xiàn)通信完成。本文選擇ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊為通信基礎，硬件核心為支持ZigBee協(xié)議的CC2530芯片，而具體選擇原因見(jiàn)下節。 

一  ZigBee模塊及CC2530微控制器 

無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在工業(yè)控制上發(fā)展極其迅速，已形成多個(gè)技術(shù)標準。ZigBee，GPRS數據網(wǎng)絡(luò )，WLAN以及一些專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。相較于傳統的有線(xiàn)通信技術(shù)，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)無(wú)需布線(xiàn)，系統的架設更為簡(jiǎn)單，當然在電磁環(huán)境復雜的一些工作環(huán)境下可靠性還是不如有線(xiàn)通信。 

    本文采用的ZigBee數傳模塊通信基于IEEE 802．1 5．4協(xié)議，占用免費的2．4GHz頻道，具有低功耗、短距離、數據可靠性高、容量大、時(shí)延小、安全和成本低等技術(shù)特點(diǎn)。同時(shí)其通信節點(diǎn)的硬件高度集成化，非常適合本文中的小規模嵌入式系統。 

本文ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊通信具體實(shí)現對象的硬件基礎是德州儀器TI(Texas Instrument)生產(chǎn)的CC2530芯片及其配套天線(xiàn)模塊。CC2530芯片實(shí)質(zhì)上就是一塊集成了無(wú)線(xiàn)控制功能的8位單片機，它不僅有通信控制功能，也可以控制外圍設備完成一些控制任務(wù)，這樣一些嵌人式系統可以直接采用CC2530這樣的SoC(片上系統)作為控制核心而無(wú)需添加專(zhuān)門(mén)的通信控制器，也就大大減化了系統設計。 

CC2530僅僅是一個(gè)通信控制硬件，它的正常工作離不開(kāi)同樣由德州儀器提供的Z-Stack，ZigBee協(xié)議棧，ZigBee協(xié)議棧相當于一套操作系統接管了底層硬件的控制，其內含的一套源代碼可以實(shí)現ZigBee數傳模塊通信的各種功能，它們被封裝于一些函數中，開(kāi)發(fā)者只需調用這些函數即可實(shí)現相應功能。 

二、通信系統系統具體實(shí)現 

2．1通信數據包格式。 

構建通信系統，確定通信的具體內容是必不可少的，二輪平衡車(chē)控制器想要直立，必須實(shí)時(shí)獲知車(chē)體傾角，同時(shí)輸出相應的PWM信號控制電機旋轉以糾正傾角偏差。而這些信息也是開(kāi)發(fā)者想要實(shí)時(shí)獲取的，所以本文中的通信網(wǎng)絡(luò )需要實(shí)時(shí)將這些信息上傳至上位機。 

需要注意的是由于本系統中車(chē)體傾角是由加速度傳感器檢測的重力加速度在車(chē)體豎直方向的投影大小推算出來(lái)的，角加速度信號也是需要傳感器進(jìn)行檢測的，而本文所用三軸加速度傳感器不論哪個(gè)方向都會(huì )受到的干擾——與被檢測信號疊加的機械振動(dòng)，小車(chē)行駛的加速度等等，所以單純的加速度傳感器檢測值是無(wú)法使用的，而同類(lèi)問(wèn)題的一般解決方案是外加一個(gè)不會(huì )被加速度干擾信號影響的較為準確的陀螺儀傳感器來(lái)檢測角速度口]：陀螺儀的角速度是比較可信的，將其與被嚴重干擾的加速度傳感器信號進(jìn)行融合，并將融合后的信號作為濾波的參考，可以得出較為準確的小車(chē)運動(dòng)加速度信號。 

所以最終確定的上傳系統狀態(tài)數據包內容如表l所示。 

表1上位機與小車(chē)通信數據格式

同時(shí)上位機下行數據包格式暫定為PID控制器的三個(gè)參數。 

2．2通信系統工作流程 

本文中上位機與小車(chē)之間的通信系統總體工作流程如圖2所示： 

圖2通信系統總體工作框圖

需要注意的是在小車(chē)上嵌入式ZigBee模塊中上傳小車(chē)工作狀態(tài)進(jìn)行ZigBee數據采集的任務(wù)優(yōu)先級高于接收上位機下行的PID參數的任務(wù)優(yōu)先級。 

通信系統有許多形式，協(xié)議也不盡相同，但都至少必須有協(xié)調器(Coordinator)和終端(Endpoint)，協(xié)調器就是通信的發(fā)起者，也就是通信網(wǎng)絡(luò )的建立者，當網(wǎng)絡(luò )建立好之后，協(xié)調器就由網(wǎng)絡(luò )的建立者變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò )的管理者，也就是類(lèi)似于路由器(router)的功能：網(wǎng)絡(luò )終端(Endpoint)在網(wǎng)絡(luò )中不需要承擔太多任務(wù)，只需要加入網(wǎng)絡(luò )即在網(wǎng)絡(luò )上注冊并被分配地址。 

雖然本系統的通信節點(diǎn)只有兩個(gè)，但也必須包含協(xié)調器(Coordinator)與終端(Endpoint)：那么剩下的問(wèn)題就是哪個(gè)ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊作為協(xié)調器發(fā)起通信：由上文可以看出，網(wǎng)絡(luò )中協(xié)調器需要發(fā)起通信，構建網(wǎng)絡(luò )，之后要轉為網(wǎng)絡(luò )的管理者，它的系統開(kāi)銷(xiāo)必然大于只是作為參與者加入網(wǎng)絡(luò )的終端。本文中的兩塊CC2530芯片中顯然嵌入于小車(chē)上的那塊承擔了ZigBee數據采集濾波與系統控制的任務(wù)，可見(jiàn)其本來(lái)承擔任務(wù)就相對比較繁重。而僅僅是作為上位計算機通信終端的ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊，由于除了實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信功能外只需與計算機定期進(jìn)行USB通信，所以可以說(shuō)是相對清閑的，所以本文中就由與計算機相連的ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊擔任協(xié)調器承擔構建網(wǎng)絡(luò )的任務(wù)，參見(jiàn)圖3。 

圖3上位機通信模塊流

本文中ZigBee數傳模塊具體實(shí)現對象的硬件基礎是德州儀器TI(Texas Instrument)生產(chǎn)的CC2530芯片及其配套天線(xiàn)模塊：CC2530芯片實(shí)質(zhì)上就是一塊集成了無(wú)線(xiàn)控制功能的8位單片機，它不僅有通信控制功能，也可以控制外圍設備完成一些控制任務(wù)，這樣一些嵌入式系統可以直接采用CC2530這樣的SoC(片上系統)作為控制核心而無(wú)需添加專(zhuān)門(mén)的通信控制器，也就大大減化了系統設計。 

而作為控制器的ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊只需要作為終端加入網(wǎng)絡(luò )并定時(shí)發(fā)送系統狀態(tài)數據并接收上位機修改的控制器參數。參見(jiàn)圖4： 

圖4 網(wǎng)絡(luò )終端通信模塊流程

三、結語(yǔ) 

本文中的ZigBee數傳模塊通信系統成功實(shí)現了上位機與二輪平衡車(chē)之間的ZigBee數據采集交流，與上位機一起為二輪平衡車(chē)的開(kāi)發(fā)提供了合適的人機界面，大大方便了小車(chē)控制器結構與參數的調試：上傳的數據也可以讓開(kāi)發(fā)者更直觀(guān)地了解小車(chē)的工作狀態(tài)。