蹺蹺板自平衡系統(tǒng)的研究與設計

黃朱輝 劉希銘 侯東 魯勁

摘 要：該蹺蹺板自平衡系統(tǒng)通過電動車在蹺蹺板上往返運動實現(xiàn)蹺蹺板的自平衡。系統(tǒng)以STC89C52RC單片機作為主控模塊，同時包括小車姿態(tài)檢測模塊、循跡模塊、直流減速電機、驅動模塊以及電源。通過C語言編寫實現(xiàn)系統(tǒng)姿態(tài)檢測與校正、角度顯示以及循跡的功能，使系統(tǒng)達到平衡。

關鍵詞：電動車；蹺蹺板；姿態(tài)檢測；脈寬調制

1引言

蹺蹺板自平衡系統(tǒng)是一種常見的運動控制系統(tǒng)，其控制方法和數(shù)學算法與船舶平衡控制、飛行器姿態(tài)的調整控制方法十分相似，而且許多控制理論概念（如系統(tǒng)穩(wěn)定性和系統(tǒng)抗干擾能力等等）與學科領域（如機械學、力學、控制理論、數(shù)字信號處理等等）都可以通過蹺蹺板系統(tǒng)直觀地反映出來。因此，對蹺蹺板自平衡系統(tǒng)的研究有非常重要的理論和實踐意義。。

2系統(tǒng)基本方案

本設計的主要功能是實現(xiàn)小車在蹺蹺板上往返運動并最終找到平衡位置使蹺蹺板達到平衡狀態(tài)，為達到此目的，提出了以下幾種方案。

方案一：在蹺蹺板的轉軸處設置電位器，蹺蹺板轉動，電位器阻值大小發(fā)生變化，將對應的電阻大小輸出的電壓通過藍牙模塊發(fā)送給小車，經(jīng)單片機處理使小車在蹺蹺板上達到平衡。

方案二：在蹺蹺板板面下方設置一個傾角傳感器，蹺蹺板平衡時傳感器校準，蹺蹺板轉動，將偏移后的角度數(shù)據(jù)通過藍牙模塊發(fā)送給小車，經(jīng)單片機處理使小車在蹺蹺板上達到平衡。

方案三：將傾角傳感器布置于小車上，因小車的傾斜程度與蹺蹺板相同，蹺蹺板上不設電路。

通過權衡比較，選擇操作更簡便的方案三。

3 各模塊方案選擇和論證

3.1主控模塊

使用STC89C52RC單片機作為主控模塊，STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器，能夠達到實現(xiàn)本設計功能的基本要求。

3.2 小車姿態(tài)檢測模塊

方案一：使用GY521-MPU6050傳感器，通過模擬I2C總線進行讀寫，返回加速度與角速度，但是需要通過編程計算才能獲得角度值。

方案二：使用 GY-25傾斜度模塊，該模塊具有體積小、性價比高、可串口輸出格式等優(yōu)點，通過硬件經(jīng)數(shù)據(jù)融合算法使陀螺儀與加速度傳感器中的原始數(shù)據(jù)輸出為直接的角度數(shù)據(jù)?？蓾M足本設計對平衡角度的要求。

經(jīng)過比較，方案二優(yōu)于方案一，故采用方案二。

3.3 循跡模塊

電動車在蹺蹺板上往返行進時會因震動而改變方向，在未達到平衡狀態(tài)時便已駛離蹺蹺板。由此需要添加尋跡模塊，在蹺蹺板中線處放置黑色尋跡線，采用紅外對管組成發(fā)射接收電路，紅外線發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當檢測到反射面時，反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理后，亮燈提示，同時輸出數(shù)字信號（一個低電平信號），并最終通過單片機判斷是否偏離跑道。

3.4 電機與驅動模塊

為實現(xiàn)蹺蹺板最終平衡的功能，要求電機可在低速行駛，具有大轉矩，不會在傾斜時出現(xiàn)堵轉的情況，因此選用直流減速電機。

因本系統(tǒng)只需在蹺蹺板上完成簡單的往返運動，行進路線單一，L298N電機驅動便可實現(xiàn)所需功能，并可通過對其PWM使能端的控制實現(xiàn)PWM調速。

3.5 電源選擇

方案一：系統(tǒng)使用8節(jié)5號電池組成12V電源給L298N供電，由L298N的板載5V輸出給單片機供電。該方案具有供電簡單易實現(xiàn)的優(yōu)點。

方案二：雙電源供電，使用8節(jié)5號電池給電機驅動供電，同時使用另一組4節(jié)1.2V鎳氫充電電池給單片機供電?？上姍C驅動單片機的干擾，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。

本設計最初選擇方案一，實施后發(fā)現(xiàn)部分情況會產(chǎn)生單片機系統(tǒng)掉電的問題，會對平衡狀態(tài)監(jiān)測模塊產(chǎn)生影響。改用方案二后，該問題消失，系統(tǒng)可靠性提高。

3.6 顯示模塊

系統(tǒng)采用LCD1602模塊，能夠同時顯示32個字符，滿足本系統(tǒng)對顯示的要求。利用該模塊可對小車角度實時監(jiān)控，并顯示一些必要的信息。

4 軟件設計

使用C語言編寫，通過串口對GY-25傳感器發(fā)送讀取及校準指令，完成后根據(jù)GY-25傳感器反饋的角度值判斷小車平衡狀態(tài)，并依據(jù)角度大小和角度變化量對電機進行PWM脈寬調速，將角度值與校準結束剩余時間顯示在LCD1602顯示器上。同時單片機接收紅外對管反饋的數(shù)據(jù)，檢測小車是否偏移預定路線，并對此做出反應。

圖3 程序工作流程圖

5.結語及系統(tǒng)分析

本項目搭建了以單片機AT89C51為核心的蹺蹺板自平衡系統(tǒng)，使用紅外對管和角度傳感器GY-25來采集數(shù)據(jù)，分別通過PWM技術與循跡模塊實現(xiàn)對小車運動速度與方向的控制，從而實現(xiàn)小車在蹺蹺板上來回運動達到最終平衡的效果。

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（作者單位：中國民航大學電子信息與自動化學院）