基于傳感器系統(tǒng)的平衡車設(shè)計

李姝銳

摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對于出行方式，要求更加方便、快捷、環(huán)保。基于此，本設(shè)計制作了一種具有平衡功能的智能車來滿足人們對出行的需求。人們使用本設(shè)計時，通過傾角傳感器來測量向前向后的具體傾角值和檢測左右傾角的具體差值，將角度值轉(zhuǎn)換成電信號的形式傳遞給單片機，再經(jīng)單片機系統(tǒng)的內(nèi)部運算輸出指令信號，輸入給運動裝置，完成相應(yīng)的動作指令，以實現(xiàn)平衡車安全平穩(wěn)地行駛。經(jīng)反復(fù)論證，驗證了本設(shè)計的合理性與可行性。

關(guān)鍵詞 傳感器；單片機；陀螺儀

中圖分類號 TP2 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）15-0103-01

1 概述

1）研究背景：在科技迅速發(fā)展的當(dāng)代，科學(xué)家們對人類自身的研究日益深入，而與此同時，環(huán)境污染問題也日趨引起人們的重視，綠色出行越來越受到人們的青睞，隨著美國科學(xué)家迪恩卡門開始針對人類走路平衡的問題進行研究，也推動了“動態(tài)穩(wěn)定”的發(fā)展，使人們聯(lián)想到可以利用動態(tài)平衡這一理念研發(fā)一種高效、輕便、零污染的出行代替?zhèn)鹘y(tǒng)的交通工具。于是，自動平衡車這一代步工具便逐漸參與到人們的日常生活中來。

2）研究現(xiàn)狀：目前，在市面上我們經(jīng)常見到的自動平衡車，主要有兩種，一種是雙輪車，其兩輪結(jié)構(gòu)重心在上，支點在下，相等于人的兩只腳，但其在靜態(tài)時處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)；另外一種是獨輪車，主要是靠電力驅(qū)動，采用站立式駕駛方式，兩只腳放置在獨輪踏板上，最終通過駕駛者的重心改變讓獨輪車執(zhí)行前行轉(zhuǎn)彎的命令，操縱車體的運行與靜止。一般騎行速度可達15km/h，續(xù)航里程為15km～30km，承重可達120kg左右。操作規(guī)則簡單，電源是一個小小的開關(guān)，打開開關(guān)站上去，前傾即為加速，后傾停止，左傾、右傾分別為向左、向右轉(zhuǎn)彎。便于攜帶，自動平衡車一般自重10kg左右，體積較小，因此放在書包中就可以帶走，辦公室內(nèi)即可充電，一個小時就可充滿，下班騎行非常方便。自動平衡車還具有代步出行、移動視頻、App應(yīng)用和藍牙音箱等功能配置，更廣泛地被大眾接受及使用。

2 總體設(shè)計

自動平衡車主要由3部分組成，包括檢測模塊、控制模塊和執(zhí)行模塊。其中檢測模塊有壓力檢測模塊、傾角檢測模塊；控制模塊主要是單片機；執(zhí)行模塊主要包含運動裝置及發(fā)光裝置。

3 硬件設(shè)計

3.1 壓力檢測模塊

主要是用于檢測自動平衡車在使用過程中所受到的力的大小，再由其內(nèi)部的壓力傳感器將檢測到的實際壓力值，轉(zhuǎn)換成電信號的形式輸送給單片機系統(tǒng)，再經(jīng)單片機系統(tǒng)內(nèi)部的運算，最終輸出命令信號到運動裝置以完成相應(yīng)的動作指令。我們通常使用的壓力傳感器是利用壓電效應(yīng)制作而成，以膜片裝置（不銹鋼膜片、硅酮膜片等）為媒介，用感壓元件對壓力進行測量，并轉(zhuǎn)換成電氣信號輸出的設(shè)備。

3.2 傾角檢測模塊

主要是用于自動平衡車在運行過程中檢測由前后方向及左右方向傾角的大小與差值，將角度值轉(zhuǎn)換成電信號的形式傳遞給單片機，再經(jīng)單片機系統(tǒng)的內(nèi)部運算輸出指令信號，輸入給運動裝置，完成相應(yīng)的動作指令，以實現(xiàn)平衡車安全平穩(wěn)地行駛。傾角檢測模塊用到的是陀螺儀，主要是利用陀螺力學(xué)性質(zhì)而制成的，其主要部分是一個以及高角速度繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子裝在一支架內(nèi)，并在其中心軸上裝一內(nèi)環(huán)架，正常情況下陀螺儀可環(huán)繞平面兩軸做自由運動。當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)時，如有任何外加力矩作用于陀螺儀上，陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸可在慣性空間中的指向保持恒定不變，即指向一個固定的方向。但同時其也具有進動性，當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，若外力矩作用于外環(huán)軸，陀螺儀將繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動，若外力矩作用于內(nèi)環(huán)軸，陀螺儀將繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動。

3.3 單片機

單片機由運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設(shè)備組成。所謂的單片機自動完成賦予的任務(wù)的過程，就是一條條執(zhí)行程序指令的過程。一條指令對應(yīng)一種基本的操作，這是由設(shè)計人員賦予單片機的指令系統(tǒng)所決定的。而單片機所能執(zhí)行的全部指令就是該單片機的指令系統(tǒng)，為使單片機能特定完成某一特定指令就必須要把要解決的問題編成一條條指令，這一系列指令的集合稱為程序，程序需要預(yù)先存放在具有存儲功能的部件——存儲器中。存儲器由許多存儲單元組成，就像一座大樓有許多房間組成一樣，而指令就存放在這些單元，單元里的指令被取出執(zhí)行時就如同大樓的每一房間都擁有一個房間號一樣，每一存儲單元也必須被分配到唯一的地址號，該地址號城存儲單元的地址，這樣只要知道存儲單元的地址就能找到這一存儲單元，那么其中存儲的指令就能被取出執(zhí)行。

4 軟件設(shè)計

該制作通過壓力檢測模塊用于檢測壓力，監(jiān)控是否有人站在平衡車上。并將檢測到的實時壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號輸送給單片機。該制作通過傾角檢測模塊檢測平衡車前后左右的傾角變化，并將檢測到的實時傾角信號轉(zhuǎn)換成電信號輸送給單片機。平衡車在行駛的過程中，當(dāng)使用者向前傾時，傾角檢測模塊將檢測到前后傾角變化轉(zhuǎn)化成電信號傳遞給單片機，再經(jīng)過單片機系統(tǒng)內(nèi)部的運算，最終將向前運行的指令輸出給傳動裝置，使平衡車前行；同理，當(dāng)使用者向后傾時，平衡車向后行駛。還可以理解為前傾即為加速，后傾停止，左傾、右傾分別為向左、向右轉(zhuǎn)彎。如果上坡時，使用者向前傾的幅度要大，但單片機會保證平衡車不向后退，而下坡時，使用者向后傾時，平衡車同樣不會倒退。該制作的單片機是平衡車的主要工作機制，主要是將檢測模塊檢測到的實時信號，經(jīng)其內(nèi)部程序的執(zhí)行，再將經(jīng)內(nèi)部程序運算處理后得到的執(zhí)行指令相應(yīng)地傳送給其對應(yīng)的執(zhí)行模塊。相當(dāng)于平衡車的大腦。該制作通過傳動裝置接收單片機系統(tǒng)輸出的指令信號，并輸出相應(yīng)的運動形式。也就是用于執(zhí)行動作指令，使平衡車運動起來。該制作通過發(fā)光裝置的不同色彩的光表示平衡車不同的工作狀態(tài)。主要用于提醒人們平衡車是否通電，感應(yīng)使用者站在上面時平衡車的啟動情況。當(dāng)紅燈亮?xí)r，表示平衡車處于工作狀態(tài)但車上無人；當(dāng)綠燈亮?xí)r，表示使用者在正常使用平衡車。其工作原理如圖1所示。

5 結(jié)論

通過反復(fù)論證，驗證了本設(shè)計的可行性與合理性，但本設(shè)計還存在著一定的局限與欠缺，比如：自動平衡的騎行技術(shù)難度高，雖然操作規(guī)則簡單，但大多數(shù)人還是難以在較短時間內(nèi)掌握騎行的要領(lǐng)在前傾加速時站不穩(wěn)，左右轉(zhuǎn)是不好控制，特別是剛開始上車時不易保持平衡；安全系數(shù)較低，上車及轉(zhuǎn)彎時技術(shù)難掌握，且無扶手；行駛用道局限，不允許在機動車道及非機動車道上行駛；站立騎行比較累等等，這些都是有待攻克的

難關(guān)。

參考文獻

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