基于傳感器系統的平衡車設計

李姝銳

摘 要 隨著科學技術的發展，人們對于出行方式，要求更加方便、快捷、環保。基于此，本設計制作了一種具有平衡功能的智能車來滿足人們對出行的需求。人們使用本設計時，通過傾角傳感器來測量向前向后的具體傾角值和檢測左右傾角的具體差值，將角度值轉換成電信號的形式傳遞給單片機，再經單片機系統的內部運算輸出指令信號，輸入給運動裝置，完成相應的動作指令，以實現平衡車安全平穩地行駛。經反復論證，驗證了本設計的合理性與可行性。

關鍵詞 傳感器；單片機；陀螺儀

中圖分類號 TP2 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）15-0103-01

1 概述

1）研究背景：在科技迅速發展的當代，科學家們對人類自身的研究日益深入，而與此同時，環境污染問題也日趨引起人們的重視，綠色出行越來越受到人們的青睞，隨著美國科學家迪恩卡門開始針對人類走路平衡的問題進行研究，也推動了“動態穩定”的發展，使人們聯想到可以利用動態平衡這一理念研發一種高效、輕便、零污染的出行代替傳統的交通工具。于是，自動平衡車這一代步工具便逐漸參與到人們的日常生活中來。

2）研究現狀：目前，在市面上我們經常見到的自動平衡車，主要有兩種，一種是雙輪車，其兩輪結構重心在上，支點在下，相等于人的兩只腳，但其在靜態時處于一種不穩定狀態；另外一種是獨輪車，主要是靠電力驅動，采用站立式駕駛方式，兩只腳放置在獨輪踏板上，最終通過駕駛者的重心改變讓獨輪車執行前行轉彎的命令，操縱車體的運行與靜止。一般騎行速度可達15km/h，續航里程為15km～30km，承重可達120kg左右。操作規則簡單，電源是一個小小的開關，打開開關站上去，前傾即為加速，后傾停止，左傾、右傾分別為向左、向右轉彎。便于攜帶，自動平衡車一般自重10kg左右，體積較小，因此放在書包中就可以帶走，辦公室內即可充電，一個小時就可充滿，下班騎行非常方便。自動平衡車還具有代步出行、移動視頻、App應用和藍牙音箱等功能配置，更廣泛地被大眾接受及使用。

2 總體設計

自動平衡車主要由3部分組成，包括檢測模塊、控制模塊和執行模塊。其中檢測模塊有壓力檢測模塊、傾角檢測模塊；控制模塊主要是單片機；執行模塊主要包含運動裝置及發光裝置。

3 硬件設計

3.1 壓力檢測模塊

主要是用于檢測自動平衡車在使用過程中所受到的力的大小，再由其內部的壓力傳感器將檢測到的實際壓力值，轉換成電信號的形式輸送給單片機系統，再經單片機系統內部的運算，最終輸出命令信號到運動裝置以完成相應的動作指令。我們通常使用的壓力傳感器是利用壓電效應制作而成，以膜片裝置（不銹鋼膜片、硅酮膜片等）為媒介，用感壓元件對壓力進行測量，并轉換成電氣信號輸出的設備。

3.2 傾角檢測模塊

主要是用于自動平衡車在運行過程中檢測由前后方向及左右方向傾角的大小與差值，將角度值轉換成電信號的形式傳遞給單片機，再經單片機系統的內部運算輸出指令信號，輸入給運動裝置，完成相應的動作指令，以實現平衡車安全平穩地行駛。傾角檢測模塊用到的是陀螺儀，主要是利用陀螺力學性質而制成的，其主要部分是一個以及高角速度繞旋轉軸旋轉的轉子轉子裝在一支架內，并在其中心軸上裝一內環架，正常情況下陀螺儀可環繞平面兩軸做自由運動。當陀螺轉子以高速旋轉時，如有任何外加力矩作用于陀螺儀上，陀螺儀的自轉軸可在慣性空間中的指向保持恒定不變，即指向一個固定的方向。但同時其也具有進動性，當轉子高速旋轉，若外力矩作用于外環軸，陀螺儀將繞內環軸轉動，若外力矩作用于內環軸，陀螺儀將繞外環軸轉動。

3.3 單片機

單片機由運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設備組成。所謂的單片機自動完成賦予的任務的過程，就是一條條執行程序指令的過程。一條指令對應一種基本的操作，這是由設計人員賦予單片機的指令系統所決定的。而單片機所能執行的全部指令就是該單片機的指令系統，為使單片機能特定完成某一特定指令就必須要把要解決的問題編成一條條指令，這一系列指令的集合稱為程序，程序需要預先存放在具有存儲功能的部件——存儲器中。存儲器由許多存儲單元組成，就像一座大樓有許多房間組成一樣，而指令就存放在這些單元，單元里的指令被取出執行時就如同大樓的每一房間都擁有一個房間號一樣，每一存儲單元也必須被分配到唯一的地址號，該地址號城存儲單元的地址，這樣只要知道存儲單元的地址就能找到這一存儲單元，那么其中存儲的指令就能被取出執行。

4 軟件設計

該制作通過壓力檢測模塊用于檢測壓力，監控是否有人站在平衡車上。并將檢測到的實時壓力信號轉換成電信號輸送給單片機。該制作通過傾角檢測模塊檢測平衡車前后左右的傾角變化，并將檢測到的實時傾角信號轉換成電信號輸送給單片機。平衡車在行駛的過程中，當使用者向前傾時，傾角檢測模塊將檢測到前后傾角變化轉化成電信號傳遞給單片機，再經過單片機系統內部的運算，最終將向前運行的指令輸出給傳動裝置，使平衡車前行；同理，當使用者向后傾時，平衡車向后行駛。還可以理解為前傾即為加速，后傾停止，左傾、右傾分別為向左、向右轉彎。如果上坡時，使用者向前傾的幅度要大，但單片機會保證平衡車不向后退，而下坡時，使用者向后傾時，平衡車同樣不會倒退。該制作的單片機是平衡車的主要工作機制，主要是將檢測模塊檢測到的實時信號，經其內部程序的執行，再將經內部程序運算處理后得到的執行指令相應地傳送給其對應的執行模塊。相當于平衡車的大腦。該制作通過傳動裝置接收單片機系統輸出的指令信號，并輸出相應的運動形式。也就是用于執行動作指令，使平衡車運動起來。該制作通過發光裝置的不同色彩的光表示平衡車不同的工作狀態。主要用于提醒人們平衡車是否通電，感應使用者站在上面時平衡車的啟動情況。當紅燈亮時，表示平衡車處于工作狀態但車上無人；當綠燈亮時，表示使用者在正常使用平衡車。其工作原理如圖1所示。

5 結論

通過反復論證，驗證了本設計的可行性與合理性，但本設計還存在著一定的局限與欠缺，比如：自動平衡的騎行技術難度高，雖然操作規則簡單，但大多數人還是難以在較短時間內掌握騎行的要領在前傾加速時站不穩，左右轉是不好控制，特別是剛開始上車時不易保持平衡；安全系數較低，上車及轉彎時技術難掌握，且無扶手；行駛用道局限，不允許在機動車道及非機動車道上行駛；站立騎行比較累等等，這些都是有待攻克的

難關。

參考文獻

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