雙輪自平衡小車設計

胥鍵 朱日興 歐偉康 繆子隆

摘 要：該文介紹了雙輪平衡小車系統設計與實現。系統以STC15F2K60S2單片機作為核心控制器，用MPU-6050陀螺儀檢測小車行駛姿態和重力加速度采集，對實時檢測采集的數據通過PID算法輸出改變PWM脈沖，控制L298N驅動直流電機，通過設計實踐，完成軟件、硬件設計制作，實現了雙輪小車自平衡行駛控制，達到了預期設計目標。

關鍵詞：雙輪平衡小車 STC15F2K60S2 PID算法 PWM

中圖分類號：TP242.3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）07（b）-0031-02

隨著社會經濟的發展，人民生活水平的提高，越來越多的小汽車走進了尋常百姓家。汽車快捷方便、省時省力、現代化程度高、種類繁多的個性化設計滿足了不同人的需求。然而，汽車作為傳統的陸路交通工具也存在不少的弊端，它體積大、重量大、污染大、噪聲大、耗油大、技術復雜、價格貴、停放困難，效能不高，容易造成交通擁堵并帶來安全隱患。兩輪自平衡車運動靈活、智能控制、操作簡便，適合單人使用且適用范圍廣，增加了人們對外出活動的興趣，減少人們的運動強度，解決了人們時間不充足的問題。

1 系統總體結構

（1）兩輪自平衡小車狀態分析：兩輪自平衡小車共分為前傾狀態、靜止狀態和后仰狀態。前傾狀態：即車身重心靠前，車身會向前傾斜，則驅動車輪向前滾動，以保持小車平衡。靜止狀態：即車身重心位于電機軸心線的正上方，則小車將保持動態平衡靜止狀態，不需要做任何控制。后仰狀態：即車身重心靠后，車身會向后傾斜，則驅動車輪向后滾動，以保持小車平衡。

兩輪自平衡小車平衡控制的基本思想是：是系統以姿態傳感器（陀螺儀、加速度計）來監測車身所處的俯仰狀態和狀態變化率，通過高速中央處理器計算出適當數據和指令后，控制系統會根據測得的傾角產生一個相應的力矩，通過控制電機驅動兩個車輪朝車身要倒下的方向運動，以保持小車自身的動態平衡。

（2）硬件電路結構：該系統要實現雙輪小車驅動、自平衡設計，必定要以單片機為核心構成智能控制系統，采用專用芯片驅動直流無刷電機，用陀螺儀實時檢測小車姿態和加速度，并實時進行PID控制調節，輸出PWM控制直流電機，系統結構如圖1所示。

2 硬件電路設計

按照圖1電路結構，單片機選用STC15F2K60S2作為控制器；直流電機驅動采用L298N電機驅動板模塊，電源由兩節工業電池18650直接提供，單片機的P2.0～P2.3接L298N的A+、B+、A-、B-；陀螺儀采用MPU-6050模塊，用單片機的P3.5、P3.6接收陀螺儀檢測的信號；電機采用（6V/150轉）N20減速電機，帶D字軸橡膠輪胎和支架；電源采用工業電池18650，+5 V電源由MAS1117-5.0V穩壓后輸出。

3 軟件設計與算法實現

3.1 軟件系統結構

系統要實現雙輪小車自平衡設計，重點需要實時檢測小車行駛姿態、加速度和闡述PWM脈沖信號輸出控制直流電機。因此，軟件系統采用主從結構，主程序負責順序調度執行各個功能模塊子程序。各個模塊子程序分為系統初始化、陀螺儀數據采集、PID運算處理、PWM脈沖產生。

3.2 陀螺儀數據采集

陀螺儀是通過I2C總線接口硬件模塊，內部的重力加速度寄存器能記錄下當前小車的狀態，通過I2C總線通信訪問寄存器，就可讀取這些信息到單片機，單片機采用PID處理數據形成電機控制調節信號。

采用I2C總線讀寫陀螺儀寄存器數據時，單片機先要發出器件地址，然后發出陀螺儀的寄存器地址，指明要訪問哪個寄存器，在收到成功應答后，才能開始讀出陀螺儀寄存器的內容，具體I2C總線通信資料很多，請參考相關資料。

3.3 PID算法實現

PID及其衍生算法在工業應用中應用廣泛，PID控制算法是最簡單，最能體現反饋思想的控制算法。對于初學者來講，應該是足夠應對簡單的研發問題，在所接觸的控制算法當中，PID控制算法最能體現反饋思想的控制算法，可謂經典中的經典。PID算法公式如下：

PID算法運用控制時，采用閉環控制環節實現直流電機調速控制，用rin（t）輸入量設置陀螺儀預定值，陀螺儀傳感器檢測當前小車狀態，用rout（t）輸出量輸出陀螺儀檢測到的實際值，由執行器控制直流電機，直流電機采用PWM調速。通過給定陀螺儀預定值和陀螺儀測定的實際值的偏差進行比例、積分、微分運算再通過PWM調節輸出給電機，陀螺儀再采集重力加速度反饋回去（其中輸入量為rin（t），輸出量為rout（t），偏差量為err（t）=rin（t）-rout（t））。

PID運算是該系統的靈魂，PID運算調節小車使其平衡。PID運算通過對重力加速度的給定值與重力加速度的偏差進行比例、積分、微分運算輸出運算結果。在PID控制中，引入積分環節的目的，主要是為了消除靜差，提高控制精度。但是在啟動、結束或大幅度增減設定時，短時間內系統輸出有很大的偏差，會造成PID運算的積分積累，導致控制量超過執行機構可能允許的最大動作范圍對應極限控制量，從而引起較大的超調，甚至是震蕩。為了克服這一問題，引入了積分分離的概念，其基本思路是：當被控量與設定值偏差較大時，取消積分作用；當被控量接近給定值時，引入積分控制，以消除靜差，提高精度。

3.4 PWM脈沖輸出

單片機通過產生正確的PWM脈沖信號，調節PWM占空比來實現對電機的控制。具體實現時，單片機對給定的占空比進行數據轉換，如果當前輸出為“1”電平時，將高電平時間預置給定時器，當定時時間到產生中斷，對輸出信號取反；如果當前輸出為“0”電平時，將低電平時間預置給定時器，當定時時間到產生中斷，對輸出信號取反……。如此實現對PWM脈沖信號占空比進行調節控制電機轉速，只要改變占空比就可以控制電機轉速。

4 結語

該文重點介紹了雙輪小車的自平衡控制，提供小車控制電路原理圖，給出了軟件系統結構設計和模塊化設計基本方法思想。使用STC單片機為控制核心，采用陀螺儀檢測信號、PID算法數據處理、PWM輸出控制電機，解決了小車平衡行駛控制問題。經過實驗制作和軟/硬件綜合調試，實現了智能小車自平衡行駛控制，具有較好的應用價值。

參考文獻

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