基于K60的動態閉環自主循跡平衡車控制系統硬件設計

趙曜　龔見素　張雨涵

摘 要：本文對一種可以自主循跡的高穩定性自平衡車進行了硬件設計。系統綜合運用自動控制、圖像識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械與汽車等多學科知識，在規定的汽車模型平臺上，使用32位ARM芯片作為主控制器，通過研究制作電機驅動模塊、角度及圖像傳感器，制作一個能夠自主識別道路和循跡的高適應性自平衡小車。

關鍵詞：自平衡；傳感；硬件設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.244

0 引言

本系統綜合運用自動控制、圖像識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械與汽車等多學科知識，在規定的汽車模型平臺上，使用32位ARM芯片作為主控制器，通過研究制作電機驅動模塊、角度及圖像傳感器，制作一個能夠自主識別道路和循跡的高適應性自平衡小車。該系統主要由電源穩壓模塊、直流電機驅動模塊、賽道信息識別模塊、速度檢測模塊、傾角檢測模塊、oled顯示模塊和串口調試模塊等組成，通過后期編寫相應控制程序以完成直立控制、速度控制、方向控制三大任務。

1 系統總體硬件組成

系統硬件部分主要由基于Kinetis系列微處理器的控制模塊、穩壓模塊、角度傳感器模塊、電機驅動模塊、測速模塊、賽道信息采集模塊、人機交互模塊等模塊組成。通過單片機的內部AD采集各個傳感器的信號，有控制器進行濾波和信號處理，對車身位置和當前的賽道環境進行識別，最后通過一系列控制算法將控制量送給車模兩個電機，以完成系統的所有任務。

2 主控芯片簡介

K60是Kinetis K系列的子系列，具有全功能USB、以太網、硬件加密和篡改檢測等功能，具有豐富的通信、模擬、定時和控制外設，同時還包括單精度浮點運算單元、NAND閃存控制器和DRAM控制器。

3 系統各模塊的設計

（1）穩壓電源模塊。穩定的電源的性能直接影響到控制系統的穩定性，因此在設計平衡車系統時為各個模塊配置了高性能的電源并且在電路設計上大幅度避免了不同模塊之間的干擾，保證了整個系統的穩定運行。系統的大多數器件均為5V供電，單片機最小系統需要3.3V低壓。1）5V 穩壓電路。5V電源模塊用于為傳感器模塊、液晶顯示模塊和圖像采集等模塊供電。經過研究發現，由于在電機驅動過程中電池會產生較大壓降，因此為提高系統穩定性，必須保證電源模塊的穩定性。為此最終我們選用了低壓差穩壓芯片AMS1117-5.0為5V工作的模塊供電；2）3.3V穩壓電路。K60最小系統為3.3V供電。微控制器是整個控制系統的核心，因此其電源的穩定性至關重要，我們采用分級穩壓方案，采用之前AMS1117-5.0產生的5V電壓信號輸入到AMS1117-3.3芯片從而產生3.3V電源。該電源芯片具有紋波小，精度高，低壓差的特點，內部集成過流和過熱保護功能，且功耗極低，工作穩定性高。

（2）傾角測量模塊。1）加速度傳感器。本系統最終選用三軸MMA7260芯片作為加速度測量器件，可同時輸出三軸模擬加速度信號，靈敏度高，成本低，同時還具有功耗低、低溫漂、工作范圍廣等特點；2）角速度傳感器-陀螺儀。本系統選用ENC-03模擬陀螺儀來測量車體旋轉時的角速度。陀螺儀輸出信相對旋轉軸的角速度信號，通過對角速度時間積分可得到車體旋轉過的角度值，配合MMA7260器件消除溫漂積分即可準確獲得小車的傾斜角度。

（3）賽道信息采集模塊。系統采用TSL1401線性CCD傳感器對調試賽道進行信息采集，一定程度濾波后反饋給中央處理單元，由中央處理元對采集數據進行處理得到欲得到的賽道信息從而進行下一步的閉環控制。

（4）電機驅動模塊。本系統電機驅動電路采用BTN7971B芯片搭建，將2塊BTN7971B半橋驅動芯片組成一個全橋電路。BTN7971B是一款集成芯片，最高電流可達幾十安培，電磁干擾極小，完全針對電機驅動設計。同時因為該芯片內部的驅動控制集成電路支持PWM信號輸入，方便與微控制器接口連接，而且該驅動芯片還具有過壓、欠壓、過熱、過流和短路保護等功能。其全橋結構可滿足電機雙向旋轉控制。系統利用微控制器輸出PWM信號通過隔離芯片74HC244來控制驅動芯片，改變PWM波的占空比即可實現電機轉速的調節。

（5）雙輪測速模塊。本系統車速檢測單元采用200線數的歐姆龍旋轉編碼器作為車速檢測元件，其硬件電路簡單，結構輕巧、信號采集速度快、精度高，完全滿足本系統控制要求。編碼器的工作電壓為范圍在5—12伏之間，通過器件的旋轉可獲得一系列脈沖，從而達到測速目的。

4 系統主要傳感器

最終采用的傳感器為：CCD光電傳感器×1；陀螺儀×2；加速度計×1；測速編碼器×2。

5 結語

本系統使用32位ARM芯片作為主控制器，制作一個能夠自主識別道路和循跡的高適應性自平衡小車。硬件是基礎，我們首先把相關的硬件電路做穩定。拿到小車第一步是設計其機械結構，之后在進行電路板PCB的設計，經過測試，電路板能夠穩定運行，電機的驅動能力較強。這些穩定運行的模塊，需要我們相關經驗的積累和前期做好知識的儲備。

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作者簡介：趙曜（1995-）男，山東人，本科，研究方向：電力系統自動化。