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摘要：本次设计是基于学生申请的大学生研究性与创新性项目俩轮自平衡循迹小车，系统设计完成后在实验室里进行系统仿真调试，首先对系统PID参数进行调试，主要确定小车能够实现自平衡，其次结合摄像头循迹功能调试，使小车可以具有循迹功能，根据调试结果不断修改数据，以求达到系统设计要求，这样不仅可以锻炼学生的动手能力，还可以开拓学生的创新性思维，对高校学生的创新性能力培养起到了很好作用。
关键词：自平衡；循迹；创新性；智能小车
中图分类号：TP31 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）12-0192-03
Application of Computer Simulation and Debugging of Two-wheeled Self-balancing Intelligent Car Tracking System in Cultivating College Students’Innovative Ability
PENG Chen， MENG Chang-dong， WANG Xiao-feng
（College of Computer and Electrical Engineering， Hunan University of Arts and Sciences， Changde 415000， China）
Abstract： This design is a two-wheeled self-balancing traceable car based on the research and innovation project applied by students. After the system design is completed， the system is simulated and debugged in the laboratory. Firstly， the system PID parameters are debugged to determine that the car can achieve self-balancing. Secondly， combined with the camera traceability function， the car can have traceability function. According to the debugging， the car can have traceability function. Result The data are constantly revised to meet the requirements of system design， which can not only train students’practical ability， but also open up students’ innovative thinking， and play a very good role in the cultivation of College Students’innovative ability.
Key words： self-balance； track； innovation； intelligent car
大學生的创新能力培养在整个本科教育中占有着举足轻重的位置，尤其以工科为代表，工科类专业要求学生既要弄懂理论知识，还要能够实际操作，在本科毕业设计过程中还要体现创新性研究，所以在平时对创新性能力的培养不可忽略。本次设计是基于学生申请的大学生研究性与创新性项目俩轮自平衡智能小车循迹系统，在实验室里进行系统仿真调试，首先对系统PID参数进行调试，主要确定小车能够实现自平衡，其次结合摄像头循迹功能调试，使小车可以具有循迹功能，根据调试结果不断修改数据，以求达到系统设计要求。
1 PID参数调式
俩轮自平衡智能小车循迹系统采用闭环PID调节，由编码器，陀螺仪和摄像头分别反馈小车的速度，倾斜角，角速度和黑线的偏差。其中陀螺仪反馈的角度和角速度作为平衡小车直立PID调节的反馈，用于调节小车的直立。在平衡车已经直立的基础上编码器反馈的速度作为平衡小车速度PID调节的反馈，用于调节小车的速度。在平衡小车的直立和速度PID都调好之后，摄像头模块反馈的黑线偏差作为位置PID的输入，使小车能够在一个很小的偏差内实现循迹功能。
进行调试选用的工具是MDK5和OpenMV IDE。首先进行的是小车直立的角度PID的调试，工具是MDK5，我们将速度PID和位置PID的Kp，Ki，Kd全置0。将角度PID的Ki，Kd置0，Kp=100。数据如表1所示：
在该参数下，小车能较好地稳定在平衡位置。
2 摄像头循迹调试
接下来进行的是摄像头循迹方面的调试，使用的软件是OpenMV IDE，打开软件并连接上摄像头后在右边的拍摄图像下面选择Grayscale Color Space，然后在图像中框出些许黑线，在下面的图表中找到Min和Max的大小，把该值写入到函数black_threshold = [（Min， Max）]中去。
完成上述操作我们保存下刚才的数据，重新连接摄像头在程序最后添加 print（err_x），这个err_x就是当前黑线与摄像头中心点的x坐标的偏差。点击软件下面的Serial Terminal，我们就可以看到当前的偏差值是多少。
3 综合调试
在获得黑线的位置偏差后，我们就可以进行小车的位置PID调节了，首先我们将参数调节成表9所示：
调试现象：小车在小弯道和直角，锐角弯都能拐过去。
4总结
通过PID参数调试和摄像头循迹调试，以及最后的综合调试后，设计出来的俩轮自平衡小车基本上能够满足自我平衡，自动循迹功能还能通过模块扩展进行防抖等功能，学生们经过这次调试后，把平时学的理论知识应用到了设计当中，还集思广益，体现出来许多创新想法，所以高校的实验室建设对于大学生创新性能力的培养有很大的好处，可以为学生的各种创新思维提供一个能够实现的温床。
参考文献
[1] 吴小林，张东彦.具有语音功能的超声波测距仪[J].电气应用，2007，06：103-105.
[2] 程永春，张鹏，王叶丹，等.沥青混合料水-温-光损伤超声波评价及预测方法[J].长安大学学报（自然科学版），2014，06：50-56.
[3] 孙帆，马瑞龙，梁乃峰，等.GIS中局部放电超声波检测定位方法及应用分析[J].电气应用，2015，13：180-182.
[4] 王付军.超声波电机稳态运行的建模和仿真[J].计算机仿真，2012，04：405-408.
[5] 张华，李明霞.基于超声波测量颅内压的有限元方法[J].计算机应用，2014，S1：361-364.
[6] 姚丽，胡宇，赵海峰.超声波泥水密度检测影响因素的研究[J].计算机仿真，2014，10：259-262，312.
[7] 杨亚，王让定，姚灵.TDC-GP21在时差法超声波流量计中的应用[J].微电子学与计算机，2013，03：118-121.
[8] 何燚，张翼飞.基于双目视觉的移动机器人避障算法仿真研究[J].计算机仿真，2013，02：282-285.
【通联编辑：梁书】
关键词：自平衡；循迹；创新性；智能小车
中图分类号：TP31 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）12-0192-03
Application of Computer Simulation and Debugging of Two-wheeled Self-balancing Intelligent Car Tracking System in Cultivating College Students’Innovative Ability
PENG Chen， MENG Chang-dong， WANG Xiao-feng
（College of Computer and Electrical Engineering， Hunan University of Arts and Sciences， Changde 415000， China）
Abstract： This design is a two-wheeled self-balancing traceable car based on the research and innovation project applied by students. After the system design is completed， the system is simulated and debugged in the laboratory. Firstly， the system PID parameters are debugged to determine that the car can achieve self-balancing. Secondly， combined with the camera traceability function， the car can have traceability function. According to the debugging， the car can have traceability function. Result The data are constantly revised to meet the requirements of system design， which can not only train students’practical ability， but also open up students’ innovative thinking， and play a very good role in the cultivation of College Students’innovative ability.
Key words： self-balance； track； innovation； intelligent car
大學生的创新能力培养在整个本科教育中占有着举足轻重的位置，尤其以工科为代表，工科类专业要求学生既要弄懂理论知识，还要能够实际操作，在本科毕业设计过程中还要体现创新性研究，所以在平时对创新性能力的培养不可忽略。本次设计是基于学生申请的大学生研究性与创新性项目俩轮自平衡智能小车循迹系统，在实验室里进行系统仿真调试，首先对系统PID参数进行调试，主要确定小车能够实现自平衡，其次结合摄像头循迹功能调试，使小车可以具有循迹功能，根据调试结果不断修改数据，以求达到系统设计要求。
1 PID参数调式
俩轮自平衡智能小车循迹系统采用闭环PID调节，由编码器，陀螺仪和摄像头分别反馈小车的速度，倾斜角，角速度和黑线的偏差。其中陀螺仪反馈的角度和角速度作为平衡小车直立PID调节的反馈，用于调节小车的直立。在平衡车已经直立的基础上编码器反馈的速度作为平衡小车速度PID调节的反馈，用于调节小车的速度。在平衡小车的直立和速度PID都调好之后，摄像头模块反馈的黑线偏差作为位置PID的输入，使小车能够在一个很小的偏差内实现循迹功能。
进行调试选用的工具是MDK5和OpenMV IDE。首先进行的是小车直立的角度PID的调试，工具是MDK5，我们将速度PID和位置PID的Kp，Ki，Kd全置0。将角度PID的Ki，Kd置0，Kp=100。数据如表1所示：
在该参数下，小车能较好地稳定在平衡位置。
2 摄像头循迹调试
接下来进行的是摄像头循迹方面的调试，使用的软件是OpenMV IDE，打开软件并连接上摄像头后在右边的拍摄图像下面选择Grayscale Color Space，然后在图像中框出些许黑线，在下面的图表中找到Min和Max的大小，把该值写入到函数black_threshold = [（Min， Max）]中去。
完成上述操作我们保存下刚才的数据，重新连接摄像头在程序最后添加 print（err_x），这个err_x就是当前黑线与摄像头中心点的x坐标的偏差。点击软件下面的Serial Terminal，我们就可以看到当前的偏差值是多少。
3 综合调试
在获得黑线的位置偏差后，我们就可以进行小车的位置PID调节了，首先我们将参数调节成表9所示：
调试现象：小车在小弯道和直角，锐角弯都能拐过去。
4总结
通过PID参数调试和摄像头循迹调试，以及最后的综合调试后，设计出来的俩轮自平衡小车基本上能够满足自我平衡，自动循迹功能还能通过模块扩展进行防抖等功能，学生们经过这次调试后，把平时学的理论知识应用到了设计当中，还集思广益，体现出来许多创新想法，所以高校的实验室建设对于大学生创新性能力的培养有很大的好处，可以为学生的各种创新思维提供一个能够实现的温床。
参考文献
[1] 吴小林，张东彦.具有语音功能的超声波测距仪[J].电气应用，2007，06：103-105.
[2] 程永春，张鹏，王叶丹，等.沥青混合料水-温-光损伤超声波评价及预测方法[J].长安大学学报（自然科学版），2014，06：50-56.
[3] 孙帆，马瑞龙，梁乃峰，等.GIS中局部放电超声波检测定位方法及应用分析[J].电气应用，2015，13：180-182.
[4] 王付军.超声波电机稳态运行的建模和仿真[J].计算机仿真，2012，04：405-408.
[5] 张华，李明霞.基于超声波测量颅内压的有限元方法[J].计算机应用，2014，S1：361-364.
[6] 姚丽，胡宇，赵海峰.超声波泥水密度检测影响因素的研究[J].计算机仿真，2014，10：259-262，312.
[7] 杨亚，王让定，姚灵.TDC-GP21在时差法超声波流量计中的应用[J].微电子学与计算机，2013，03：118-121.
[8] 何燚，张翼飞.基于双目视觉的移动机器人避障算法仿真研究[J].计算机仿真，2013，02：282-285.
【通联编辑：梁书】