自平衡電動代步車研制

劉孟卓

摘 要：近年來，代步平衡車逐漸進入了人類的視野，由于其結構簡單，占地面積小，得到了很多人的喜愛。所以，該車的研究尤為重要，本論文對車的研究主要分為兩部分，第一部分就是采用了STM32作為主處理器，傾角傳感器進行角度測量，通過算法及編程，能夠直立并平衡駕駛。第二部分主要介紹該車的優勢及如何控制及平穩駕駛。

關鍵詞：傳感器；算法；控制

一、代步平衡車的直立與平衡駕駛

本車主要采用STM32作為主處理器，該單片機處理能力較快，可以簡單的處理各種算法，由于其成本低，體積小，應用在各個領域，而且本車運用到了多種算法，所以與FPGA相比，雖然FPGA處理能力更快，但運算能力不強，成本較高，綜上所述，STM32作為主處理器更為合適。

本車主要是通過控制傳感器來實現它的平衡及駕駛，通過檢測當前平衡車的傾斜角度及傾斜速度的快慢，計算出來的數據向前或者向后控制車體以實現平衡的效果。MPU6050作為角度傳感器，他將被測的小信號轉變為電信號，但獨自使用陀螺儀或者加速度計都不能使車身保持直立并加速行駛，它不僅易受地磁場的影響，并且具有信號噪聲，與此相比，傾角傳感器測量更為準確，我們在傾角傳感器測量的基礎上，采用互補濾波，最后通過積分進行變換，使之輸出更加平滑。

當打開電源時，CPU開始工作，由于電機沒有轉矩，所以保持原地，當向前傾斜時，車子加速行駛，如果要減速，只需身體向后傾斜。傾斜角度越大，速度越快，不論是加速還是減速，車體始終保持直立平衡狀態。

對于車體的直立控制、速度控制和方向控制及平穩駕駛，我們都要求準確性和穩定性及安全性等特點，對我們最熟悉的就是PID算法及卡曼濾波。所以我們通過檢測車體當前行駛狀態下的直立偏差、角度誤差、速度調節，然后進行比例、積分和微分（即為PID）的調節，配合電路中的疊加原理，最終對左右電機進行控制。

二、代步平衡車的優勢和系統結構

通過人眼采集路況實時信息，并對實時路況信息進行運算處理，識別出道路，最終通過車體轉向的方式達到視覺導航。

近年來，國內機器人技術空前發展，機器人應用的領域也在不斷擴大，當然機器人所面臨的環境和所需要執行的任務也是越來越復雜。特別是在一些人類難以觸碰的危險區域及狹小地段，機器人是不二之選。隨著人民生活水平不斷提高，新鮮事物也相繼被發掘并實施，所以，一種新的代步工具被提出。

（一）代步平衡車的優勢

1、噪音小。與以往的內燃機作為驅動力相比，電力驅動行駛相對平緩，震動也相對比較小，結構也相對簡單；2、能源利用率高。以電能為主要消耗。而電能又是通過化學能轉化而來，所以利用率相對于內燃機相對較高；3、占地面積小。代步平衡車主要由輪子及平衡板組成，結構簡單。所以占地面積非常小，從而不用擔心停車位的問題，而且車子較輕，可以單手提起；4、操作簡單。代步平衡車的行駛主要是改變人體重心。與以往的行駛工具相比，其操作簡單，優勢更加明顯；5、0半徑轉彎。代步平衡車是獨立驅動兩個輪子，所以在轉彎時只需控制輪子的轉矩，這樣就能實現0半徑轉彎，為乘客提供了很大的方便，與一般電動車相比，代步平衡車應用更加廣泛。由于代步平衡車的這些優點，而且中國城市交通比較擁擠，在比較狹窄地方，代步平衡車的優勢尤為突出。

（二）平衡車系統結構

代步平衡車由一根軸和兩個輪子組成，由直流電機直接驅動兩個輪子。所以設計比較簡單。

通過市場銷售可以看出，本車主要由轉向桿，上踏板車輪，底板，車輪構成。轉向桿可以左右擺動，帶動固定在轉向桿軸上的滑動電阻器檢測左右傾角信號并輸出給單片機，利用加速度計與傾角傳感器相互磨合，通過檢測傾斜角度與傾斜率，通過相應的控制算法計算出控制量，驅動電機工作，完成自平衡車前身體往前傾或后傾，代步車就會根據俯仰的方向前進或后退，而速度則與駕駛人身體傾斜的程度呈正比。代步平衡車的轉彎主要是通過人體傾斜角度來控制，不同的傾斜角度對應電機不同的速度差。轉向桿上的輔助功能有：電量顯示、轉向指示、故障保護、載重檢測等。人們可以直接看到車身的信息，出行更加安全。

代步平衡車主要有控制模塊，電源模塊，傳感器模塊和輔助模塊這四種功能模塊，每個模塊的設計都包括硬件和軟件兩部分，硬件為代步平衡車提供結構框架，軟件為其提供編程及算法。它的模塊主要分為4個部分：第一是小車的硬件設計，良好的硬件設計可以減少算法的復雜度，使設計者減少不必要的麻煩。第二是處理平衡車的平衡性能，這是研究平衡車的核心問題，要求傳感器能實時檢測到平衡車的傾斜信號，保證小車具有在不同情況下的調節能力。第三是單片機通過傳感器對檢測到信號的處理，這部分主要通過C語言程序來實現。

三、結語

經過幾個多月的學習，我們完成了作品，實現了它的基本功能.過程中我們各司其職卻又不失配合，成功的解決了程序問題和過程中的其他問題。其中比較有趣的是達不到想要的結果時，也不確定到底是哪里出了問題的時候，我們就仔細的研究各自負責的東西，這樣雖然浪費了比較多的時間，但是卻使得我們更加了解我們的作品！也感謝老師和學長的幫助，使我們獲益匪淺！

參考文獻：

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