二輪自平衡車，顧名思義就是僅有兩個車輪，需要時刻主動去保持平衡的車，不同于自行車摩托車等車輪前后排列的二輪平衡車，本文討論的是兩輪共軸的平衡車，如圖l所示。
圖1二輪平衡車示意圖
這樣的兩輪車可想而知如果不加控制，必然會向前或后傾斜并加速倒下，但是車輪的合理旋轉對車軸——即車身底部產生的扭矩與推力又可以阻止車身倒下的趨勢并糾正車身相對于平衡位置的角度偏差。這也就是自平衡的過程，而且由于平衡位置的脆弱性與擾動的必然性，控制器必須時時擔負起檢測與糾偏作用。
目前二輪平衡車研究領域國內外不僅已經有了許多成功的理論研究及實踐成果，而且還出現了成功的商業(yè)化產品--Segway。而本文中討論的應用于二輪平衡車開發(fā)平臺的ZigBee模塊無線通信網絡，可以很好地為控制算法的開發(fā)與調試提供方便。
為開發(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上，這就必須有一臺固定的上位計算機，上位機與小車MCU之間的數據交流由無線通信完成。本文選擇ZigBee無線模塊為通信基礎，硬件核心為支持ZigBee協議的CC2530芯片，而具體選擇原因見下節(jié)。
一 ZigBee模塊及CC2530微控制器
無線通信技術在工業(yè)控制上發(fā)展極其迅速，已形成多個技術標準。ZigBee，GPRS數據網絡，WLAN以及一些專用無線網絡技術。相較于傳統的有線通信技術，無線通信技術無需布線，系統的架設更為簡單，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通信。
本文采用的ZigBee數傳模塊通信基于IEEE 802．1 5．4協議，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、時延小、安全和成本低等技術特點。同時其通信節(jié)點的硬件高度集成化，非常適合本文中的小規(guī)模嵌入式系統。
本文ZigBee無線模塊通信具體實現對象的硬件基礎是德州儀器TI(Texas Instrument)生產的CC2530芯片及其配套天線模塊。CC2530芯片實質上就是一塊集成了無線控制功能的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，這樣一些嵌人式系統可以直接采用CC2530這樣的SoC(片上系統)作為控制核心而無需添加專門的通信控制器，也就大大減化了系統設計。
CC2530僅僅是一個通信控制硬件，它的正常工作離不開同樣由德州儀器提供的Z-Stack，ZigBee協議棧，ZigBee協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，開發(fā)者只需調用這些函數即可實現相應功能。
二、通信系統系統具體實現
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，二輪平衡車控制器想要直立，必須實時獲知車體傾角，同時輸出相應的PWM信號控制電機旋轉以糾正傾角偏差。而這些信息也是開發(fā)者想要實時獲取的，所以本文中的通信網絡需要實時將這些信息上傳至上位機。
需要注意的是由于本系統中車體傾角是由加速度傳感器檢測的重力加速度在車體豎直方向的投影大小推算出來的，角加速度信號也是需要傳感器進行檢測的，而本文所用三軸加速度傳感器不論哪個方向都會受到的干擾——與被檢測信號疊加的機械振動，小車行駛的加速度等等，所以單純的加速度傳感器檢測值是無法使用的，而同類問題的一般解決方案是外加一個不會被加速度干擾信號影響的較為準確的陀螺儀傳感器來檢測角速度口]：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運動加速度信號。
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上位機與小車通信數據格式
同時上位機下行數據包格式暫定為PID控制器的三個參數。
2．2通信系統工作流程
本文中上位機與小車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上嵌入式ZigBee模塊中上傳小車工作狀態(tài)進行ZigBee數據采集的任務優(yōu)先級高于接收上位機下行的PID參數的任務優(yōu)先級。
通信系統有許多形式，協議也不盡相同，但都至少必須有協調器(Coordinator)和終端(Endpoint)，協調器就是通信的發(fā)起者，也就是通信網絡的建立者，當網絡建立好之后，協調器就由網絡的建立者變?yōu)榫W絡的管理者，也就是類似于路由器(router)的功能：網絡終端(Endpoint)在網絡中不需要承擔太多任務，只需要加入網絡即在網絡上注冊并被分配地址。
雖然本系統的通信節(jié)點只有兩個，但也必須包含協調器(Coordinator)與終端(Endpoint)：那么剩下的問題就是哪個ZigBee無線模塊作為協調器發(fā)起通信：由上文可以看出，網絡中協調器需要發(fā)起通信，構建網絡，之后要轉為網絡的管理者，它的系統開銷必然大于只是作為參與者加入網絡的終端。本文中的兩塊CC2530芯片中顯然嵌入于小車上的那塊承擔了ZigBee數據采集濾波與系統控制的任務，可見其本來承擔任務就相對比較繁重。而僅僅是作為上位計算機通信終端的ZigBee無線模塊，由于除了實現無線通信功能外只需與計算機定期進行USB通信，所以可以說是相對清閑的，所以本文中就由與計算機相連的ZigBee無線模塊擔任協調器承擔構建網絡的任務，參見圖3。
圖3上位機通信模塊流
本文中ZigBee數傳模塊具體實現對象的硬件基礎是德州儀器TI(Texas Instrument)生產的CC2530芯片及其配套天線模塊：CC2530芯片實質上就是一塊集成了無線控制功能的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，這樣一些嵌入式系統可以直接采用CC2530這樣的SoC(片上系統)作為控制核心而無需添加專門的通信控制器，也就大大減化了系統設計。
而作為控制器的ZigBee無線模塊只需要作為終端加入網絡并定時發(fā)送系統狀態(tài)數據并接收上位機修改的控制器參數。參見圖4：
圖4 網絡終端通信模塊流程
三、結語
本文中的ZigBee數傳模塊通信系統成功實現了上位機與二輪平衡車之間的ZigBee數據采集交流，與上位機一起為二輪平衡車的開發(fā)提供了合適的人機界面，大大方便了小車控制器結構與參數的調試：上傳的數據也可以讓開發(fā)者更直觀地了解小車的工作狀態(tài)。 |
