左右轉角式平衡車平衡機理

楊青青

摘 要：我們提出一種新的自平衡車控制保持的方式，改變傳統的以前后直立式，通過控制加速度來獲得平衡的方式。而改為用陀螺儀測量車體的左右傾角，反饋給單片機中央處理芯片，再由芯片處理過后反饋給舵機，有舵機的扭力調整龍頭的傾角實現平衡。

關鍵詞：舵機、陀螺儀

隨著科技的發展，無人平衡車慢慢進入人們的視線，電動平衡車，又叫體感車、思維車、攝位車等。市場上主要有獨輪和雙輪兩類。其運作原理主要是建立在一種被稱為“動態穩定”（DynamicStabilization）的基本原理上（如圖1）。

但這種平衡車利用車體內部的陀螺儀和加速度傳感器，來檢測車體姿態的變化，并利用伺服控制系統，精確地驅動電機進行相應的調整，以保持系統的平衡。是現代人用來作為代步工具、休閑娛樂的一種新型的綠色環保的產物。但有兩個較為明顯的缺點，第一個是安全性，前后靠控制加速度來獲得平衡的方式一旦車體傾倒，肯定是向前或者向后方向的傾倒，這時候由于人的腳踩在平衡車上，最先著地的一定是人的頭部，比較危險。第二個就是頻繁的加減速電機的傷害會非常大。

而我們的車體平衡則是人左右方向的平衡。具體的原理打個形象的比方和自行車平衡的原理比較相似。只不過控制“龍頭”轉角的人手變成了我們的大扭力舵機，下達指令的大腦變成了我們的單片機芯片。

最為核心的部分是傾角的測量。傾角的測量非常的關鍵，是我們信息實時采集最為重要的數據。我們使用的芯片是MPU6050三軸陀螺儀，它能夠精確的測量傾角。理想情況下，我們只需要測量某一個方向上的加速度值，然后這樣就可以計算出小車的傾角，例如Y軸，X軸。我們的小車靜止的時候，只存在重力加速度，沒有運動加速度，此時X軸和Y軸都輸出零。當小車有了一定的傾角后，重力加速度就會在X軸或Y軸上有分量，我們使用atan2（y，x）函數來說明，

航模電池的T型接口是整塊板以高容量的航模電池供電，這種電池的優點是體積小，供電穩定。主開關控制整塊板子的電流通斷。電機驅動TB6612有點類似與從前的LM289系列，只不過隨著工藝的改進，能夠的更小。編碼器電機接口1、2，線性CCD接口都是我們預留的，實際并未用到，只是我們考慮到隨著進一步的開發，會有更多的開發需求預留在板子上。本塊板子最核心的部分就是MPU6050三軸陀螺儀加速度計，（PU-60X0是全球首例9軸運動處理傳感器。它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計，以及一個可擴展的數字運動處理器DMP（DigitalMotionProcessor），可用I2C接口連接一個第三方的數字傳感器，比如磁力計。擴展之后就可以通過其I2C或SPI接口輸出一個9軸的信號（SPI接口僅在MPU-6000可用）。MPU-60X0也可以通過其I2C接口連接非慣性的數字傳感器，比如壓力傳感器，這里我們能用它感知傾角和實時的運動狀態，生成數據。

而對于NRF24L無線模塊接口則是接受手機端或其他終端發過來的控制信息，達到遠程控制或遠程接收的效果。SWD調試接口連接STM32，程序下載接口是我們將把外部程序燒寫進芯片使用的，OLED顯示屏實時顯示自行車的實時運行參數，用戶按鍵是在總電源打開的狀態下用戶啟動小車芯片的按鍵，STM31103F是主芯片，類似于“CPU”的功能。這里值得一提的是我們的超聲波接口，超聲波會測出小車與前方可能有的障礙物之間的距離，一旦低于一定的限度，車體會強制停車，保護安全。

參考文獻：

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[2]季鵬飛，朱燕，程傳統，杜曉.基于STM32的兩輪自平衡小車控制系統設計[J].電子科技，2014，11：96-99+105.