基于K60的动态闭环自主循迹平衡车控制系统硬件设计

赵曜　龚见素　张雨涵

摘 要：本文对一种可以自主循迹的高稳定性自平衡车进行了硬件设计。系统综合运用自动控制、图像识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多学科知识，在规定的汽车模型平台上，使用32位ARM芯片作为主控制器，通过研究制作电机驱动模块、角度及图像传感器，制作一个能够自主识别道路和循迹的高适应性自平衡小车。

关键词：自平衡；传感；硬件设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.244

0 引言

本系统综合运用自动控制、图像识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多学科知识，在规定的汽车模型平台上，使用32位ARM芯片作为主控制器，通过研究制作电机驱动模块、角度及图像传感器，制作一个能够自主识别道路和循迹的高适应性自平衡小车。该系统主要由电源稳压模块、直流电机驱动模块、赛道信息识别模块、速度检测模块、倾角检测模块、oled显示模块和串口调试模块等组成，通过后期编写相应控制程序以完成直立控制、速度控制、方向控制三大任务。

1 系统总体硬件组成

系统硬件部分主要由基于Kinetis系列微处理器的控制模块、稳压模块、角度传感器模块、电机驱动模块、测速模块、赛道信息采集模块、人机交互模块等模块组成。通过单片机的内部AD采集各个传感器的信号，有控制器进行滤波和信号处理，对车身位置和当前的赛道环境进行识别，最后通过一系列控制算法将控制量送给车模两个电机，以完成系统的所有任务。

2 主控芯片简介

K60是Kinetis K系列的子系列，具有全功能USB、以太网、硬件加密和篡改检测等功能，具有丰富的通信、模拟、定时和控制外设，同时还包括单精度浮点运算单元、NAND闪存控制器和DRAM控制器。

3 系统各模块的设计

（1）稳压电源模块。稳定的电源的性能直接影响到控制系统的稳定性，因此在设计平衡车系统时为各个模块配置了高性能的电源并且在电路设计上大幅度避免了不同模块之间的干扰，保证了整个系统的稳定运行。系统的大多数器件均为5V供电，单片机最小系统需要3.3V低压。1）5V 稳压电路。5V电源模块用于为传感器模块、液晶显示模块和图像采集等模块供电。经过研究发现，由于在电机驱动过程中电池会产生较大压降，因此为提高系统稳定性，必须保证电源模块的稳定性。为此最终我们选用了低压差稳压芯片AMS1117-5.0为5V工作的模块供电；2）3.3V稳压电路。K60最小系统为3.3V供电。微控制器是整个控制系统的核心，因此其电源的稳定性至关重要，我们采用分级稳压方案，采用之前AMS1117-5.0产生的5V电压信号输入到AMS1117-3.3芯片从而产生3.3V电源。该电源芯片具有纹波小，精度高，低压差的特点，内部集成过流和过热保护功能，且功耗极低，工作稳定性高。

（2）倾角测量模块。1）加速度传感器。本系统最终选用三轴MMA7260芯片作为加速度测量器件，可同时输出三轴模拟加速度信号，灵敏度高，成本低，同时还具有功耗低、低温漂、工作范围广等特点；2）角速度传感器-陀螺仪。本系统选用ENC-03模拟陀螺仪来测量车体旋转时的角速度。陀螺仪输出信相对旋转轴的角速度信号，通过对角速度时间积分可得到车体旋转过的角度值，配合MMA7260器件消除温漂积分即可准确获得小车的倾斜角度。

（3）赛道信息采集模块。系统采用TSL1401线性CCD传感器对调试赛道进行信息采集，一定程度滤波后反馈给中央处理单元，由中央处理元对采集数据进行处理得到欲得到的赛道信息从而进行下一步的闭环控制。

（4）电机驱动模块。本系统电机驱动电路采用BTN7971B芯片搭建，将2块BTN7971B半桥驱动芯片组成一个全桥电路。BTN7971B是一款集成芯片，最高电流可达几十安培，电磁干扰极小，完全针对电机驱动设计。同时因为该芯片内部的驱动控制集成电路支持PWM信号输入，方便与微控制器接口连接，而且该驱动芯片还具有过压、欠压、过热、过流和短路保护等功能。其全桥结构可满足电机双向旋转控制。系统利用微控制器输出PWM信号通过隔离芯片74HC244来控制驱动芯片，改变PWM波的占空比即可实现电机转速的调节。

（5）双轮测速模块。本系统车速检测单元采用200线数的欧姆龙旋转编码器作为车速检测元件，其硬件电路简单，结构轻巧、信号采集速度快、精度高，完全满足本系统控制要求。编码器的工作电压为范围在5—12伏之间，通过器件的旋转可获得一系列脉冲，从而达到测速目的。

4 系统主要传感器

最终采用的传感器为：CCD光电传感器×1；陀螺仪×2；加速度计×1；测速编码器×2。

5 结语

本系统使用32位ARM芯片作为主控制器，制作一个能够自主识别道路和循迹的高适应性自平衡小车。硬件是基础，我们首先把相关的硬件电路做稳定。拿到小车第一步是设计其机械结构，之后在进行电路板PCB的设计，经过测试，电路板能够稳定运行，电机的驱动能力较强。这些稳定运行的模块，需要我们相关经验的积累和前期做好知识的储备。

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作者简介：赵曜（1995-）男，山东人，本科，研究方向：电力系统自动化。