雙輪智能自平衡車的設計

王兆宇+趙明明+張宏川+黃怡寧

摘 要：本文設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，用于環境的拍攝。

本文完成了硬件的搭建，完成了軟件設計。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，也推動了相關學科的發展。在本質不穩定系統中，如最優控制、比例積分微分控制、模糊控制、神經網絡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合的產物，具有一定的理論意義和應用價值，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計

1.1兩輪自平衡車硬件電路總體設計

硬件電路主要由電源穩壓模塊、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采集的數據進行相應的算法運算，從而得到對電機驅動的較為精確的控制。電機驅動采用用MOSFET管搭成的內阻很小的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，傳感器體積小，重量輕等優點尤為突出。

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。

電機驅動部分：在本平衡車系統中，由簡單驅動芯片驅動加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，有效地防止驅動板干擾信號對控制板的干擾，使系統更加穩定可靠，且本驅動采用高品質全新原裝功率管，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

本次開發使用IAR作為主要的開發工具，當核心控制開始執行程序時，先從主程序執行，并執行相關初始化程序，利用實時中斷來實現平衡程序的運算并實現直立。

對于單獨的初步直立，我們選用陀螺儀和加速度計來實現，具體參考圖2.2，本設計采用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，通過兩個控制參數加權后，控制電機平均電壓，使得平衡車產生相應的加速度，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生角度偏差，使車子的這個方向傾斜加速。這個結果可以用來進行平衡控制。

為了更加的穩定平衡，我們采用雙閉環系統來調節。在初步直立的基礎上增加速度環控制機制，從而實現更加穩定的控制。

3 兩輪自平衡車的綜合調試與總結

3.1調試工具介紹

在本次的調試中，使用J-Link硬件仿真器實現在線實時仿真調試。為了調試的效果明顯，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據變化的曲線狀態。在設計的過程中，軟件的調試是至關重要的。對于本次的設計主要是使用IAR編程環境，選用本編程環境主要的原因之一是它支持J-Link在線調試，并可以在線讀取硬件狀態，及程序中各變量的動態值。

3.2具體調試思想

本設計選用PID調節方式，要進行相對較多的調試和調節相關參數詳細步驟如下：

首先要實現初步的直立，需要調節陀螺儀和加速度計并對其相應的算法參數進行整定。先整定P參數，然后整定I參數，最后整定D參數。為實現平衡車較長時間的平衡并穩定運行，我們在此加速速度調節，采用PI調節，先整定P參數，然后整定I參數，使平衡車完全的平衡穩定。反復整定各項參數，使其參數達到最佳的控制方案。

4 結論

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。在調試方面使用J-Link可以正常觀察硬件狀態并進行調試。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境的拍攝。

參考文獻

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