雙輪智能自平衡車的設(shè)計

王兆宇+趙明明+張宏川+黃怡寧

摘 要：本文設(shè)計了一款人可以搭乘的自平衡車，本文利用飛思卡爾公司的一款基于ARM內(nèi)核的芯片MK60FN1M0VLQ15，平衡車的傳感器采用的是加速度計MMA7361與陀螺儀ENC03MB組合而成的傳感器模塊，其能直接輸出穩(wěn)定的合成角度信號，并且利用光碼盤做速度檢測。同時增加了一款黑白攝像頭，用于環(huán)境的拍攝。

本文完成了硬件的搭建，完成了軟件設(shè)計。對傳感器信號做了平滑處理，同時使用卡爾曼濾波處理后使其所得信號更加接近真實，保證了平衡車的站立。

關(guān)鍵詞：自平衡車；加速度計；陀螺儀

自平衡車屬于倒立擺的一種形式，它是結(jié)合動力學和自動控制理論而成的項目，對它的研究，也推動了相關(guān)學科的發(fā)展。在本質(zhì)不穩(wěn)定系統(tǒng)中，如最優(yōu)控制、比例積分微分控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制都將得到實踐驗證。總的來說，由于自平衡車車的平衡性是一個理論與實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，具有一定的理論意義和應(yīng)用價值，引起了極大的研究興趣，并讓全世界的科學家聚焦于此。

1 兩輪自平衡車的電路硬件設(shè)計

1.1兩輪自平衡車硬件電路總體設(shè)計

硬件電路主要由電源穩(wěn)壓模塊、控制芯片、陀螺儀和加速度傳感器模塊、攝像頭模塊，液晶屏模塊，電機驅(qū)動模塊，串口通信模塊，測速模塊等組成，如圖1.1所示。采用飛思卡爾的32位微控制器MK60FN1M0VLQ15作主控芯片，工作標準頻率150MHZ。微控制器通過ENC03和MMA7361采集的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的算法運算，從而得到對電機驅(qū)動的較為精確的控制。電機驅(qū)動采用用MOSFET管搭成的內(nèi)阻很小的H橋電路。

1.2主要硬件選擇

陀螺儀與加速度計部分：加速度傳感器選用飛思卡爾公司的MMA7361芯片，加速度傳感器可以測量由地球引力作用或者物體運動所產(chǎn)生的加速度。MMA7361選用了半導體表面微機械加工和集成電路技術(shù)，傳感器體積小，重量輕等優(yōu)點尤為突出。

測速模塊：測速模塊采用帶有相位差的光點碼盤，其可以利用FTM模塊測出正反轉(zhuǎn)。

電機驅(qū)動部分：在本平衡車系統(tǒng)中，由簡單驅(qū)動芯片驅(qū)動加4個大功率MOSFET搭建而成，采用了10M高速光耦對輸入信號進行了隔離，有效地防止驅(qū)動板干擾信號對控制板的干擾，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，且本驅(qū)動采用高品質(zhì)全新原裝功率管，因此，最高額定電流可達100A。

2 兩輪自平衡車的控制程序算法介紹

本次開發(fā)使用IAR作為主要的開發(fā)工具，當核心控制開始執(zhí)行程序時，先從主程序執(zhí)行，并執(zhí)行相關(guān)初始化程序，利用實時中斷來實現(xiàn)平衡程序的運算并實現(xiàn)直立。

對于單獨的初步直立，我們選用陀螺儀和加速度計來實現(xiàn)，具體參考圖2.2，本設(shè)計采用MMA7361和ENC03通過角度互補融合方式獲取平衡車的傾角和角速度，通過兩個控制參數(shù)加權(quán)后，控制電機平均電壓，使得平衡車產(chǎn)生相應(yīng)的加速度，從而保持車模的直立。在傾腳的作用下，平衡車會朝著一個方面加速前進。在平衡車的角度控制模型的中產(chǎn)生角度偏差，使車子的這個方向傾斜加速。這個結(jié)果可以用來進行平衡控制。

為了更加的穩(wěn)定平衡，我們采用雙閉環(huán)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)。在初步直立的基礎(chǔ)上增加速度環(huán)控制機制，從而實現(xiàn)更加穩(wěn)定的控制。

3 兩輪自平衡車的綜合調(diào)試與總結(jié)

3.1調(diào)試工具介紹

在本次的調(diào)試中，使用J-Link硬件仿真器實現(xiàn)在線實時仿真調(diào)試。為了調(diào)試的效果明顯，而且省去使用示波器的些許不變，本次使用虛擬示波器是觀察數(shù)據(jù)變化的曲線狀態(tài)。在設(shè)計的過程中，軟件的調(diào)試是至關(guān)重要的。對于本次的設(shè)計主要是使用IAR編程環(huán)境，選用本編程環(huán)境主要的原因之一是它支持J-Link在線調(diào)試，并可以在線讀取硬件狀態(tài)，及程序中各變量的動態(tài)值。

3.2具體調(diào)試思想

本設(shè)計選用PID調(diào)節(jié)方式，要進行相對較多的調(diào)試和調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)詳細步驟如下：

首先要實現(xiàn)初步的直立，需要調(diào)節(jié)陀螺儀和加速度計并對其相應(yīng)的算法參數(shù)進行整定。先整定P參數(shù)，然后整定I參數(shù)，最后整定D參數(shù)。為實現(xiàn)平衡車較長時間的平衡并穩(wěn)定運行，我們在此加速速度調(diào)節(jié)，采用PI調(diào)節(jié)，先整定P參數(shù)，然后整定I參數(shù)，使平衡車完全的平衡穩(wěn)定。反復(fù)整定各項參數(shù)，使其參數(shù)達到最佳的控制方案。

4 結(jié)論

本論文主要完成了硬件搭建，軟件編寫，信號濾波，控制程序的修改等。在調(diào)試方面使用J-Link可以正常觀察硬件狀態(tài)并進行調(diào)試。軟件部分主要是對傳感器信號的躁動做簡單的平滑處理，以及參考清華大學老師對于平衡原理講解，完成主要的控制程序。同時增加了一款黑白攝像頭進行周圍環(huán)境的拍攝。

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