左右轉(zhuǎn)角式平衡車平衡機(jī)理

楊青青

摘 要：我們提出一種新的自平衡車控制保持的方式，改變傳統(tǒng)的以前后直立式，通過控制加速度來獲得平衡的方式。而改為用陀螺儀測量車體的左右傾角，反饋給單片機(jī)中央處理芯片，再由芯片處理過后反饋給舵機(jī)，有舵機(jī)的扭力調(diào)整龍頭的傾角實(shí)現(xiàn)平衡。

關(guān)鍵詞：舵機(jī)、陀螺儀

隨著科技的發(fā)展，無人平衡車慢慢進(jìn)入人們的視線，電動(dòng)平衡車，又叫體感車、思維車、攝位車等。市場上主要有獨(dú)輪和雙輪兩類。其運(yùn)作原理主要是建立在一種被稱為“動(dòng)態(tài)穩(wěn)定”（DynamicStabilization）的基本原理上（如圖1）。

但這種平衡車?yán)密圀w內(nèi)部的陀螺儀和加速度傳感器，來檢測車體姿態(tài)的變化，并利用伺服控制系統(tǒng)，精確地驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以保持系統(tǒng)的平衡。是現(xiàn)代人用來作為代步工具、休閑娛樂的一種新型的綠色環(huán)保的產(chǎn)物。但有兩個(gè)較為明顯的缺點(diǎn)，第一個(gè)是安全性，前后靠控制加速度來獲得平衡的方式一旦車體傾倒，肯定是向前或者向后方向的傾倒，這時(shí)候由于人的腳踩在平衡車上，最先著地的一定是人的頭部，比較危險(xiǎn)。第二個(gè)就是頻繁的加減速電機(jī)的傷害會(huì)非常大。

而我們的車體平衡則是人左右方向的平衡。具體的原理打個(gè)形象的比方和自行車平衡的原理比較相似。只不過控制“龍頭”轉(zhuǎn)角的人手變成了我們的大扭力舵機(jī)，下達(dá)指令的大腦變成了我們的單片機(jī)芯片。

最為核心的部分是傾角的測量。傾角的測量非常的關(guān)鍵，是我們信息實(shí)時(shí)采集最為重要的數(shù)據(jù)。我們使用的芯片是MPU6050三軸陀螺儀，它能夠精確的測量傾角。理想情況下，我們只需要測量某一個(gè)方向上的加速度值，然后這樣就可以計(jì)算出小車的傾角，例如Y軸，X軸。我們的小車靜止的時(shí)候，只存在重力加速度，沒有運(yùn)動(dòng)加速度，此時(shí)X軸和Y軸都輸出零。當(dāng)小車有了一定的傾角后，重力加速度就會(huì)在X軸或Y軸上有分量，我們使用atan2（y，x）函數(shù)來說明，

航模電池的T型接口是整塊板以高容量的航模電池供電，這種電池的優(yōu)點(diǎn)是體積小，供電穩(wěn)定。主開關(guān)控制整塊板子的電流通斷。電機(jī)驅(qū)動(dòng)TB6612有點(diǎn)類似與從前的LM289系列，只不過隨著工藝的改進(jìn)，能夠的更小。編碼器電機(jī)接口1、2，線性CCD接口都是我們預(yù)留的，實(shí)際并未用到，只是我們考慮到隨著進(jìn)一步的開發(fā)，會(huì)有更多的開發(fā)需求預(yù)留在板子上。本塊板子最核心的部分就是MPU6050三軸陀螺儀加速度計(jì)，（PU-60X0是全球首例9軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器。它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP（DigitalMotionProcessor），可用I2C接口連接一個(gè)第三方的數(shù)字傳感器，比如磁力計(jì)。擴(kuò)展之后就可以通過其I2C或SPI接口輸出一個(gè)9軸的信號（SPI接口僅在MPU-6000可用）。MPU-60X0也可以通過其I2C接口連接非慣性的數(shù)字傳感器，比如壓力傳感器，這里我們能用它感知傾角和實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，生成數(shù)據(jù)。

而對于NRF24L無線模塊接口則是接受手機(jī)端或其他終端發(fā)過來的控制信息，達(dá)到遠(yuǎn)程控制或遠(yuǎn)程接收的效果。SWD調(diào)試接口連接STM32，程序下載接口是我們將把外部程序燒寫進(jìn)芯片使用的，OLED顯示屏實(shí)時(shí)顯示自行車的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，用戶按鍵是在總電源打開的狀態(tài)下用戶啟動(dòng)小車芯片的按鍵，STM31103F是主芯片，類似于“CPU”的功能。這里值得一提的是我們的超聲波接口，超聲波會(huì)測出小車與前方可能有的障礙物之間的距離，一旦低于一定的限度，車體會(huì)強(qiáng)制停車，保護(hù)安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊莘，劉海濤.基于STM32的兩輪自平衡小車[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2014，05：151-152.

[2]季鵬飛，朱燕，程傳統(tǒng)，杜曉.基于STM32的兩輪自平衡小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技，2014，11：96-99+105.