基于單片機(jī)的智能兩輪自平衡車的設(shè)計(jì)

趙一澎　唱紅　夏靖坤　何金　劉瑩

1. 引言

如今移動(dòng)機(jī)器人面臨的環(huán)境和任務(wù)越來越繁雜，在這種情況下，就需要移動(dòng)機(jī)器人必須能夠適應(yīng)一些復(fù)雜的環(huán)境和危險(xiǎn)的任務(wù)。因此開展對(duì)兩輪自平衡小車的研究，這項(xiàng)研究在該領(lǐng)域的科研水平具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.1 兩輪自平衡小車的研究意義

在面臨一些復(fù)雜環(huán)境和艱巨的任務(wù)時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人通常會(huì)碰到一些狹隘的危險(xiǎn)工作，在面對(duì)這樣如此艱難的環(huán)境，研究者們針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人如何靈活快捷的執(zhí)行任務(wù)的問題進(jìn)行了深度的研究。正是在這樣一個(gè)背景下兩輪自平衡小車的概念被提出來。兩輪自平衡小車的優(yōu)點(diǎn)在于可以適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境和控制任務(wù)，可以保持車身的平衡，在安防或者軍事上會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 兩輪自平衡小車的技術(shù)

1.2.1 數(shù)學(xué)建模

建立系統(tǒng)的模型，建立的重點(diǎn)在于動(dòng)力學(xué)方面，兩輪自平衡小車的結(jié)構(gòu)主要由車身和雙輪子兩部分構(gòu)成。對(duì)兩輪自平衡小車的建模方法，采用經(jīng)典的力學(xué)方法，對(duì)小車進(jìn)行受力分析，可分為車輪模型和車身模型兩部分，最后通過對(duì)兩者的穩(wěn)定型和能觀性的分析判斷出系統(tǒng)的最優(yōu)狀態(tài)方程。

1.2.2 姿態(tài)檢測(cè)

兩輪自平衡小車通過檢測(cè)小車的姿態(tài)來對(duì)小車進(jìn)行控制。加速度計(jì)和陀螺儀等慣性傳感器可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的檢測(cè)兩輪自平衡車的傾角。因此，采用陀螺儀和加速度兩個(gè)傳感器相結(jié)合，通過融合的算法對(duì)于兩輪自平衡小車來說是實(shí)現(xiàn)有效控制的關(guān)鍵所在。

1.2.3 控制算法

控制技術(shù)是運(yùn)動(dòng)控制的核心，兩輪自平衡車屬于本質(zhì)不穩(wěn)定系統(tǒng)，利用傳統(tǒng)的PID技術(shù)進(jìn)行可行性分析，傳感器將車體的運(yùn)動(dòng)速度和傾角等信息傳遞給系統(tǒng)控制器，是車輪轉(zhuǎn)速與角度值保持一致，系統(tǒng)控制器將最終命令傳遞給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來完成系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

2. 系統(tǒng)概述

兩輪自平衡小車的組成很簡(jiǎn)單，保持小車平衡和運(yùn)動(dòng)都是通過控制兩個(gè)車輪完成的。在未對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，小車處于靜止的狀態(tài)，此時(shí)的車身的狀態(tài)可能會(huì)出現(xiàn)前傾或后傾。因此，控制系統(tǒng)對(duì)于兩輪自平衡小車來說是至關(guān)重要的。

2.1 平衡原理分析

兩輪自平衡小車是一個(gè)在重力作用下高度不穩(wěn)定的系統(tǒng)，其平衡原理就是小車本身的自動(dòng)平衡能力，對(duì)兩輪自平衡小車進(jìn)行受力分析，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)車體重力的方向與地面對(duì)車輪的支持力的方向相差180°時(shí)，因受力平衡小車達(dá)到穩(wěn)定平衡的狀態(tài)。

當(dāng)?shù)孛鎸?duì)車輪的支持力和車體之間呈現(xiàn)傾角θ的時(shí)候車體就會(huì)傾倒，由此可知θ角是導(dǎo)致車體傾斜的最大原因。因此，如果要小車保持平衡狀態(tài)，就要把θ角控制在不至于傾倒的范圍內(nèi)。

2.2 控制系統(tǒng)分析

在對(duì)兩輪自平衡小車進(jìn)行控制時(shí)，小車平衡和運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力都來自于兩個(gè)車輪直流電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，通過調(diào)節(jié)小車的傾角來控制速度。

小車作為一個(gè)控制對(duì)象，對(duì)小車的分析，其整個(gè)控制系統(tǒng)可以分為三部分：

（1）小車速度控制：調(diào)節(jié)小車的傾角。

（2）小車方向控制：控制兩個(gè)車輪轉(zhuǎn)速不同實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

（3）小車平衡控制：控制兩個(gè)電機(jī)來保持小車的平衡。

3. 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、電源模塊硬件設(shè)計(jì)、傳感器電路設(shè)計(jì)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。

3.1 最小系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用16位單片機(jī)MC9S12XS128為控制器，主要包括單片機(jī)供電、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路以及BDM接口電路。

3.2 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊由若干相互獨(dú)立的穩(wěn)壓電路模塊組成。包括3.3V電源、5V電源、24V電源以及SV電源。

3.3 傳感器電路設(shè)計(jì)

對(duì)于小車姿態(tài)檢測(cè)而言，常用的慣性傳感器有傾斜傳感器、陀螺儀和加速度計(jì)。通常不會(huì)只有單一的傳感器，只使用一種傳感器難以準(zhǔn)確的感知小車的姿態(tài)信息，而需要多個(gè)傳感器的融合才可以獲取更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性的要求，最終選擇陀螺儀和加速度計(jì)兩種傳感器用于檢測(cè)小車的傾角和傾角速度。

3.3.1 加速度計(jì)電路設(shè)計(jì)

加速度計(jì)直接測(cè)量小車靜態(tài)重力加速度來確定其小車的傾斜角度。本系統(tǒng)采用的加速度計(jì)是MMA7361。該加速度傳感器是體積小，重量輕，可以同時(shí)輸出三個(gè)方向上的加速度模擬信號(hào)。

3.3.2 陀螺儀電路設(shè)計(jì)

陀螺儀可以用來測(cè)量物體的旋轉(zhuǎn)角速度。在本次的設(shè)計(jì)中采用的是MPU_6050陀螺儀傳感器，如果角速度信號(hào)存在偏差和漂移，可以通過測(cè)小車的運(yùn)行速度和加速度來校正陀螺儀的積分漂移。

3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)控制性能好;控制電路簡(jiǎn)單，易維修，使得成本較低;對(duì)于起、停較頻繁的場(chǎng)合，可以達(dá)到節(jié)電和保護(hù)電機(jī)的目的;具有直流電機(jī)良好的調(diào)速性能。綜上優(yōu)點(diǎn)十分適合自平衡車車輪的驅(qū)動(dòng)。

4. 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的主要功能有：傳感器采集數(shù)據(jù)、輸出PWM信號(hào)、小車的控制，包括平衡控制和速度控制。軟件流程如（圖1）：

完成初始化后，首先進(jìn)入直立檢測(cè)子程序。該程序通過讀取加速度傳感器以及陀螺儀傳感器的數(shù)值判斷車模是否處于直立狀態(tài)。在中斷程序中不斷的讀取傳感器數(shù)據(jù)，獲取車模狀態(tài)信息，然后通過讀取的數(shù)據(jù)控制車模。

5. 結(jié)論

當(dāng)前伴隨著移動(dòng)機(jī)器人的大規(guī)模商用，兩輪自平衡小車以行走靈活、便利、節(jié)能等特點(diǎn)得到了很大的發(fā)展，為了降低成本廣泛推廣，因此開展對(duì)兩輪自平衡小車的深入研究，具有較高的實(shí)際價(jià)值和學(xué)術(shù)研究意義。

本文討論了兩輪自平衡小車通過加速度計(jì)傳感器和陀螺儀傳感器對(duì)小車的姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，將信號(hào)傳送到單片機(jī)系統(tǒng)，通過程序調(diào)用傳送信號(hào)到電機(jī)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度，通過這一系列的處理來保持小車的直立平衡，在達(dá)到平衡狀態(tài)以后，通過手機(jī)藍(lán)牙發(fā)出方向控制，藍(lán)牙模塊接收信號(hào)再傳送到單片機(jī)系統(tǒng)，這樣就可以控制小車的運(yùn)動(dòng)方向，大大提高了小車運(yùn)行的速度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 梅曉榕.自動(dòng)控制元件及線路.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.2004

[2] 屠運(yùn)武，徐俊艷，張培仁.自平衡控制系統(tǒng)的建模與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).2004（04）.

[3] 爾桂花，竇曰軒.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).清華大學(xué)出版社.2002

[4] 王曉宇，閆繼宏，臧希喆等.兩輪白平衡機(jī)器人多傳感器數(shù)據(jù)融合方法研究[J].傳感器技術(shù)學(xué)報(bào).2007，（3）：668～672

[5] 趙杰，王曉宇，秦勇等.基于UKF的兩輪自平衡機(jī)器人姿態(tài)最優(yōu)估計(jì)研究[J].機(jī)器人. 2006： （11），605—609.

[6] 孔祥宜.自主式雙輪動(dòng)態(tài)平衡移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)研究.上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文.2007

作者簡(jiǎn)介：趙一澎，沈陽工學(xué)院信息與控制學(xué)院17級(jí)電子信息工程專業(yè)，2018年獲中國大學(xué)生計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽二等獎(jiǎng);有著良好的團(tuán)隊(duì)合作精神，擅長(zhǎng)平面設(shè)計(jì)、視頻編輯等。唱紅，沈陽工學(xué)院信息與控制學(xué)院17電子信息工程專業(yè)，愛好攝影，修圖。作為新時(shí)代的青年人，我們應(yīng)時(shí)刻保持心中有火，眼里有光。夏靖坤，沈陽工學(xué)院信息與控制學(xué)院17級(jí)電子信息工程專業(yè)，在此創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目中負(fù)責(zé)選題，并制作兩輪自平衡小車，擅長(zhǎng)單片機(jī)嵌入式開發(fā)，自動(dòng)控制，圖像處理等。何金，沈陽工學(xué)院信息與控制學(xué)院18級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，新峰社團(tuán)負(fù)責(zé)人。專業(yè)技能：擅長(zhǎng)單片機(jī)編程，diy模型制作，視頻制作剪輯。在此項(xiàng)目中負(fù)責(zé)單片機(jī)編程與小車模型制作。通訊作者：劉瑩 信息與控制學(xué)院教師，方向，DSP技術(shù)及應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，3D建模等。