智能雙輪平衡車的設計研究

王麗華　楊秀萍　王皓　高崢翔

摘要：智能雙輪平衡車，其以簡便和體積小等特點逐漸成為人們出行的最愛，但由于這種交通工具的平衡控制系統較為復雜，加上其包含的非線性和搶不穩定性等特點，使得傳統的PID控制模式很難滿足人們的需求，本文對當前智能雙輪平衡車的設計進行了簡單的介紹。

關鍵詞：智能雙輪平衡車；設計；神經網絡

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0140-01

針對環境保護而設計的智能雙輪平衡車，其以存放方便和無污染而逐漸受到人們的重視，但由于該交通工具的技術含量較高，其在設計中存在的一些問題還無法得到有效的解決。本文作者通過自身的研究對當前智能雙輪平衡車的硬件設計和軟件功能等進行了簡單的分析，并提出了一些改善智能雙輪平衡車控制效果的對策。

1 現狀分析

對于雙輪平衡車的研究工作，我國同國外發達國家相比起步要晚一些，近些年隨著我國對新能源交通工具的重視程度增加，雙輪平衡車的研究也在逐漸深入，其作為一種特殊的交通工具，國家在政策方面的支持和輔助較強。通過大量的實驗研究和驗證，我國在2003年推出了第一款雙輪平衡車，這標志著我國進入到了雙輪平衡車的運行和應用階段，隨著我國PID算法的深入研究，雙輪平衡車的應用性也在逐漸提高。

2 智能雙輪平衡車的電路硬件設計

2.1 電路總體設計

對于智能雙輪平衡車，其電路主要包含電源和控制芯片等內容，對于不同的模組，其采用的電路設計模式不同，對于其主控芯片，其在當前采用的是32位的微控制器，這種控制器的工作頻率在150MHz。對于微控制器，在運行過程中主要是通過ENC03和MMA7361對雙輪車運行過程中的數據進行采集，然后通過內部的程式對其進行數據計算和分析，從而實現對雙輪平衡車的智能化控制，保證雙輪平衡車的正常運行[1]。

2.2 主要硬件選擇

對于智能雙輪平衡車的主要硬件選擇，其具有較高的要求，像陀螺儀和加速度計方面的選擇，其一般采用的是當前比較先進的飛思卡爾MMA7361芯片，該芯片能對雙輪車運行過程中遇到的各種環境進行快速的數據分析，并通過計算度傳感器將地球引力以及物體運行過程中所產生的加速度數據傳遞到控制芯片中。對于MMA7361芯片，其采用的是半導體表面微加工技術，該技術中電路技術集成到小小的芯片上，然后通過傳感器收集雙輪平衡車運行過程中的各種數據資料，并對其進行分析。對于測速模塊，其采用的是光點碼盤，這種光點碼盤自帶相位差，能夠通過上面的FTM模塊對雙輪車的正反轉進行準確的測量。最后則是雙輪平衡車的電機驅動方面，其采用的是驅動芯片和大功率MOSFET，在運行過程中其能夠通過高速光耦對雙輪平衡車的輸入信號進行隔離，從而防止了運行過程中驅動面板對控制面板的干擾，保證雙輪平衡車運行和控制的穩定性。

3 雙輪平衡車的控制程度算法

對于本次設計的智能雙輪平衡車，其控制算法采用的是IAR開發工具，這種開發工具能夠保證平衡雙輪車在運行過程中控制程序的邏輯化運行，其首先從主程序開始進行，通過初始化程序對智能平衡雙輪車的數據參數進行調整，同時通過程序中的實時中斷功能對平衡程序進行運算。而對于程序中的初步直立功能，采用的是陀螺儀和加速度計的結合來實現的，對于本次研究，其是通過MMA7361芯片和ENC03的角度互補來對雙輪平衡車的角度進行計算和控制，保證平衡雙輪車運行過程中的參數合理性。在雙輪平衡車運行的過程中，通過對電機的平均電壓進行控制能夠給予平衡雙輪車合適的加速度，保證運行過程中雙輪車的直立狀態。而在傾角的作用模式下，平衡車還能夠獲得用戶需要方向的加速度，從而保證雙輪平衡車的正常運行。為了保證雙輪平衡車運行過程中的穩定性，我們通過雙閉環系統對雙輪平衡車的直立狀態進行調整，保證其在直立狀態下獲得對應的加速度。對于雙輪平衡車，其在當前的應用范圍較廣，但由于其控制難度較大，因此，在進行控制算法的設計時，為了提高控制效率，降低控制難度，可以采用神經網絡算法取代當前的PID算法，神經網絡算法具有一定的自學能力，其能夠根據環境參數的變化進行數據更新，是控制數據不斷向著非線性系統變化，提高雙輪平衡車的控制效果。通過神經網絡系統和PID控制系統的結合，能夠使雙輪平衡車適應更加復雜的環境，提高其應用范圍[2]。

4 智能雙輪平衡車的調試

4.1 調試工具

對于智能雙輪平衡車，其在本次研究中采用的是J-Link進行仿真模擬，為了實現調試參數的真實性，在進行調試的過程中將示波器的一些數據設置為固定值，然后通過虛擬數據圖像將數據的變化情況進行清晰的展示。在進行智能雙輪平衡車的設計工作時，其軟件的調試工作時保證智能雙輪平衡車正常運行的重要內容，通過IAR編程環境的使用，其能夠在在線讀取硬件的狀態下對雙輪車中的各項參數進行測試，保證測試結果的準確性[3]。

4.2 調試思想

對于當前的雙輪平衡車，其在進行調試是選擇的主要方式是PID調試方法，這種調試方法在調試的過程中需要調試的內容相對較多，具體的調試內容為：在進行調試前，首先需要保證雙輪平衡車保持在直立狀態，然后根據陀螺儀以及加速度計對雙輪平衡車的相關參數進行調整。而而在具體的調試過程中，首先需要調試的參數為P參數，其次是I參數的調整，最后則是對D參數進行調整。為了保證平衡車在運行過程中能夠保持長期的穩定性，在對雙輪平衡車的加速度進行調整是需要采用PI調整模式，這樣才能夠保證雙輪平衡車使用過程中的穩定性。

5 結語

綜合上述所說，對于智能雙輪平衡車的設計，其需要對硬件和軟件以及信號等進行全面的調整和修改，調試則是采用J-Link對雙輪平衡車的正常情況進行確定，而在軟件部分，其調整主要是對傳感器的信號傳輸功能進行調整，保證雙輪平衡車運行過程中數據傳輸的穩定性以及平衡性等。

參考文獻

[1]林楓，蔡延光.雙輪自平衡車的雙閉環式PID控制系統設計與實現[J].工業控制計算機，2017，（06）：73-75.

[2]秦富康，孟凡曦.基于線性CCD的雙輪平衡車控制系統設計[J].機電產品開發與創新，2016，（04）：38-40.

[3]賴義漢，王凱.基于MPU6050的雙輪平衡車控制系統設計[J].河南工程學院學報（自然科學版），2014，（01）：53-57.