兩輪自平衡車控制系統的研究

龔成 南京工程學院

1 兩輪自平衡車簡析探討

對于兩輪自平衡車而言，它是一種動態的平衡機器人，其內部中的兩輪共軸，獨立驅動，車身重心位于車輪軸的上方，從而可以通過運動使其保持平衡，而不借助外力的作用進行治理行走。在近一些年來，兩輪自平衡車它以靈活，便利，節能等諸多優點使其在各個行業當中得到了關注的使用。在本篇文章當中，我們主要的簡單的探討并且設計一臺兩輪小車，在進行核心控制器的選擇上，主要是選擇飛思卡爾系統的MC9S12XS128 單片機，接著采用MMA7260 加速度計以及ENC03 陀螺儀為敏感元器件，從而在一定的程度上使其能夠實現兩輪小車的平衡，接著在按照設計的速度以及小車速度的偏差，有效的控制電機的電壓從而實現速度的控制，接著使用電磁感應線圈來對路徑信息進行收集，按照按照徑路的彎曲控制有效的實現小車直立角度的變速控制。

2 系統的組成簡析探討

在該兩輪自平衡車中選用的系統主要是飛思卡爾公司生產的16位雙核微型處理器MC9S12XS128，它主要是通過直立控制模塊，以及速度控制模塊，方向控制模塊，變速控制模塊這四個方面的模塊來進行組成的。我們可以從圖1 當中的內容了解到，可以對鋪設在車道中心的銅線對其進行通交流電，從而在一定的程度上使其車道出現交變磁場的情況發生。并且小車也可以通過這一種磁場有效的行駛在車道當中，另外我們還可以了解到在直立控制模塊當中，它包含有著陀螺儀以及加速度計，都是安裝在小車的中心偏下位置當中，從而使其小車能夠在行駛的過程當中保持較好的直立狀態。另外相應的速度控制模塊它主要是需要安裝在左右輪的編碼器中，對其進行測速，當測試出來的結果還需要與前期設定速度兩者進行有效的比較。并且方向控制模塊通過安裝于小車運動其那方探測支架上的左右兩電磁傳感器當中，其能夠有效的掌控兩輪實現差速轉彎的效果，在這一個過程當中，我們需要通過一定的運算從而對其有效的調節小車的傾角大小，能控制小車行進加速度的變化。

圖1 系統總體框架分析

3 兩輪自平衡車內部各個模塊簡析探討

3.1 直立控制模塊分析

對于小車而言，它的智力控制是行走的基礎，在本篇文章當中小車它主要是通過ENC03 陀螺儀收集到的角速度，來對其進行分析，從而得出的角度值使其作為脈沖寬度調制的比例系數控制電機，來在一定的程度上使其能夠有效的控制兩輪車的直立形式。在這一個過程當中，得出的角度值需要在每隔一定時間便于加速度計收集到的角度值進行有效的比較，從而使其能夠消除陀螺儀帶來的誤差以及偏差量，讓陀螺儀能夠更好的對其進行追蹤加速度計所測試得出的瞬時角度值。

但是在這一個過程當中我們需要了解到，如果角速度的間隔時間太長的話，也不能很好地反應出車模的角度變化狀態，但是如果時間過短也不能很好的消除陀螺儀的噪聲影響效果。因此我們在進行一定的實驗之后可以發現，使其時間能夠控制在4MS 的時候效果是最好的。而且陀螺儀的加速度計進行比較的時間太多，則不能很好的跟蹤加速度計的值，若是太短則會給人帶來加速度計的噪聲，因此在的那個當前我們需要了解到陀螺儀的積分結果能夠很好的跟蹤加速度計輸出的角度值，并且在內部中進行輸出的數據較為平穩的話，則能很好的反映出車模的瞬時角度值需求。

3.2 速度控制模塊分析

對于速度控制模塊而言，它主要是在小車進行直立行駛的基礎上，提供在小車內部設立一個速度，從而將編碼器測試得出的實際速度與設計速度兩者進行有效的比較，并且在最后將比較得出的結果作為反饋量來進行分析，從而有效的控制PWM 的輸出，使得小車能夠按照設定速度來進行有效的實行。

對于MC9S12XS128 這一個類型的單片機來講，它的內部系統中只有一路脈沖計數器，那么在這一個過程中，我們主要是使用分時測速的方式來對小車的左右輪速度進行測量。并且按照圖2 當中的內容，我們可以了解到，在左輪以及右輪當中，它主要是通過從BY 以及BX 這兩個端口來進行輸入的，并且從BXY 輸出并且加載到單片機的計數段中，來進行有效的選擇。

圖2 分時測試電路圖分析

3.3 方向控制模塊分析

我們可以從圖3 當中的內容了解到，小車的運行方向主要是通過差速來進行控制的，并且通過測試左右兩電磁感應線圈的電壓數值，對這兩個數值的和以及差讓其能夠加載到外輪以及內輪的p WM 中進行輸出，從而使其能夠在一定程度上有效的實現小車的差速控制。

圖3 小車的方向控制

3.4 變速模塊分析

我們可以了解到電磁兩輪自平衡小車，它的速度控制是一個重要的難點，因此我們可以知道當小車在直立的狀態下進行向前或者向后的運動過程中，所造成的傾角大小將會直接的營銷到電機電壓的大小。因此在當前，我們需要通過有效的掌控小車的傾角從而實現控制車子的加速度。在這一個過程當中我們采用的方式主要是通過設定一個限制值使其它能夠作為加速以及減速的分界線，將左右電磁傳感器測量的電壓只差以及電壓之和對其進行比例調節，使其能夠得出左右傳感歸一的差值。接著我們在將這一個差值使其讓它能夠與設定好的限制值兩者進行有效的比較，若是在比較的過程中發現超過限制值則應當對其進行減速，直到小車運動方向與車道上的電磁定向銅線方向進行一致，反之則需要對其進行加速前進。

4 結束語

大體的說來，在本篇文章當中，我們主要是簡單的探討了兩輪自平衡小車控制系統的設計思想以及實現方式，從而系統當中的直立控制模塊，速度控制模塊，方向控制模塊以及變速模塊等幾個方面進行著手，并且對這一些模塊中的軟硬件進行了有效的分析，也給出了相關的內容。因此我們可以了解到在本篇文章當中設計的系統是十分合理的，它能夠有效的幫助兩輪自平衡車的使用以及應用。