蹺蹺板自平衡系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

黃朱輝 劉希銘 侯東 魯勁

摘 要：該蹺蹺板自平衡系統(tǒng)通過電動(dòng)車在蹺蹺板上往返運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)蹺蹺板的自平衡。系統(tǒng)以STC89C52RC單片機(jī)作為主控模塊，同時(shí)包括小車姿態(tài)檢測(cè)模塊、循跡模塊、直流減速電機(jī)、驅(qū)動(dòng)模塊以及電源。通過C語言編寫實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)姿態(tài)檢測(cè)與校正、角度顯示以及循跡的功能，使系統(tǒng)達(dá)到平衡。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車；蹺蹺板；姿態(tài)檢測(cè)；脈寬調(diào)制

1引言

蹺蹺板自平衡系統(tǒng)是一種常見的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其控制方法和數(shù)學(xué)算法與船舶平衡控制、飛行器姿態(tài)的調(diào)整控制方法十分相似，而且許多控制理論概念（如系統(tǒng)穩(wěn)定性和系統(tǒng)抗干擾能力等等）與學(xué)科領(lǐng)域（如機(jī)械學(xué)、力學(xué)、控制理論、數(shù)字信號(hào)處理等等）都可以通過蹺蹺板系統(tǒng)直觀地反映出來。因此，對(duì)蹺蹺板自平衡系統(tǒng)的研究有非常重要的理論和實(shí)踐意義。。

2系統(tǒng)基本方案

本設(shè)計(jì)的主要功能是實(shí)現(xiàn)小車在蹺蹺板上往返運(yùn)動(dòng)并最終找到平衡位置使蹺蹺板達(dá)到平衡狀態(tài)，為達(dá)到此目的，提出了以下幾種方案。

方案一：在蹺蹺板的轉(zhuǎn)軸處設(shè)置電位器，蹺蹺板轉(zhuǎn)動(dòng)，電位器阻值大小發(fā)生變化，將對(duì)應(yīng)的電阻大小輸出的電壓通過藍(lán)牙模塊發(fā)送給小車，經(jīng)單片機(jī)處理使小車在蹺蹺板上達(dá)到平衡。

方案二：在蹺蹺板板面下方設(shè)置一個(gè)傾角傳感器，蹺蹺板平衡時(shí)傳感器校準(zhǔn)，蹺蹺板轉(zhuǎn)動(dòng)，將偏移后的角度數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊發(fā)送給小車，經(jīng)單片機(jī)處理使小車在蹺蹺板上達(dá)到平衡。

方案三：將傾角傳感器布置于小車上，因小車的傾斜程度與蹺蹺板相同，蹺蹺板上不設(shè)電路。

通過權(quán)衡比較，選擇操作更簡(jiǎn)便的方案三。

3 各模塊方案選擇和論證

3.1主控模塊

使用STC89C52RC單片機(jī)作為主控模塊，STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，能夠達(dá)到實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)功能的基本要求。

3.2 小車姿態(tài)檢測(cè)模塊

方案一：使用GY521-MPU6050傳感器，通過模擬I2C總線進(jìn)行讀寫，返回加速度與角速度，但是需要通過編程計(jì)算才能獲得角度值。

方案二：使用 GY-25傾斜度模塊，該模塊具有體積小、性價(jià)比高、可串口輸出格式等優(yōu)點(diǎn)，通過硬件經(jīng)數(shù)據(jù)融合算法使陀螺儀與加速度傳感器中的原始數(shù)據(jù)輸出為直接的角度數(shù)據(jù)。可滿足本設(shè)計(jì)對(duì)平衡角度的要求。

經(jīng)過比較，方案二優(yōu)于方案一，故采用方案二。

3.3 循跡模塊

電動(dòng)車在蹺蹺板上往返行進(jìn)時(shí)會(huì)因震動(dòng)而改變方向，在未達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)便已駛離蹺蹺板。由此需要添加尋跡模塊，在蹺蹺板中線處放置黑色尋跡線，采用紅外對(duì)管組成發(fā)射接收電路，紅外線發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測(cè)到反射面時(shí)，反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理后，亮燈提示，同時(shí)輸出數(shù)字信號(hào)（一個(gè)低電平信號(hào)），并最終通過單片機(jī)判斷是否偏離跑道。

3.4 電機(jī)與驅(qū)動(dòng)模塊

為實(shí)現(xiàn)蹺蹺板最終平衡的功能，要求電機(jī)可在低速行駛，具有大轉(zhuǎn)矩，不會(huì)在傾斜時(shí)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)的情況，因此選用直流減速電機(jī)。

因本系統(tǒng)只需在蹺蹺板上完成簡(jiǎn)單的往返運(yùn)動(dòng)，行進(jìn)路線單一，L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)便可實(shí)現(xiàn)所需功能，并可通過對(duì)其PWM使能端的控制實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速。

3.5 電源選擇

方案一：系統(tǒng)使用8節(jié)5號(hào)電池組成12V電源給L298N供電，由L298N的板載5V輸出給單片機(jī)供電。該方案具有供電簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。

方案二：雙電源供電，使用8節(jié)5號(hào)電池給電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電，同時(shí)使用另一組4節(jié)1.2V鎳氫充電電池給單片機(jī)供電。可消除電機(jī)驅(qū)動(dòng)單片機(jī)的干擾，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。

本設(shè)計(jì)最初選擇方案一，實(shí)施后發(fā)現(xiàn)部分情況會(huì)產(chǎn)生單片機(jī)系統(tǒng)掉電的問題，會(huì)對(duì)平衡狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊產(chǎn)生影響。改用方案二后，該問題消失，系統(tǒng)可靠性提高。

3.6 顯示模塊

系統(tǒng)采用LCD1602模塊，能夠同時(shí)顯示32個(gè)字符，滿足本系統(tǒng)對(duì)顯示的要求。利用該模塊可對(duì)小車角度實(shí)時(shí)監(jiān)控，并顯示一些必要的信息。

4 軟件設(shè)計(jì)

使用C語言編寫，通過串口對(duì)GY-25傳感器發(fā)送讀取及校準(zhǔn)指令，完成后根據(jù)GY-25傳感器反饋的角度值判斷小車平衡狀態(tài)，并依據(jù)角度大小和角度變化量對(duì)電機(jī)進(jìn)行PWM脈寬調(diào)速，將角度值與校準(zhǔn)結(jié)束剩余時(shí)間顯示在LCD1602顯示器上。同時(shí)單片機(jī)接收紅外對(duì)管反饋的數(shù)據(jù)，檢測(cè)小車是否偏移預(yù)定路線，并對(duì)此做出反應(yīng)。

圖3 程序工作流程圖

5.結(jié)語及系統(tǒng)分析

本項(xiàng)目搭建了以單片機(jī)AT89C51為核心的蹺蹺板自平衡系統(tǒng)，使用紅外對(duì)管和角度傳感器GY-25來采集數(shù)據(jù)，分別通過PWM技術(shù)與循跡模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)小車運(yùn)動(dòng)速度與方向的控制，從而實(shí)現(xiàn)小車在蹺蹺板上來回運(yùn)動(dòng)達(dá)到最終平衡的效果。

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（作者單位：中國民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院）