双轮智能自平衡车的设计

王兆宇+赵明明+张宏川+黄怡宁

摘 要：本文设计了一款人可以搭乘的自平衡车，本文利用飞思卡尔公司的一款基于ARM内核的芯片MK60FN1M0VLQ15，平衡车的传感器采用的是加速度计MMA7361与陀螺仪ENC03MB组合而成的传感器模块，其能直接输出稳定的合成角度信号，并且利用光码盘做速度检测。同时增加了一款黑白摄像头，用于环境的拍摄。

本文完成了硬件的搭建，完成了软件设计。对传感器信号做了平滑处理，同时使用卡尔曼滤波处理后使其所得信号更加接近真实，保证了平衡车的站立。

关键词：自平衡车；加速度计；陀螺仪

自平衡车属于倒立摆的一种形式，它是结合动力学和自动控制理论而成的项目，对它的研究，也推动了相关学科的发展。在本质不稳定系统中，如最优控制、比例积分微分控制、模糊控制、神经网络控制都将得到实践验证。总的来说，由于自平衡车车的平衡性是一个理论与实践相结合的产物，具有一定的理论意义和应用价值，引起了极大的研究兴趣，并让全世界的科学家聚焦于此。

1 两轮自平衡车的电路硬件设计

1.1两轮自平衡车硬件电路总体设计

硬件电路主要由电源稳压模块、控制芯片、陀螺仪和加速度传感器模块、摄像头模块，液晶屏模块，电机驱动模块，串口通信模块，测速模块等组成，如图1.1所示。采用飞思卡尔的32位微控制器MK60FN1M0VLQ15作主控芯片，工作标准频率150MHZ。微控制器通过ENC03和MMA7361采集的数据进行相应的算法运算，从而得到对电机驱动的较为精确的控制。电机驱动采用用MOSFET管搭成的内阻很小的H桥电路。

1.2主要硬件选择

陀螺仪与加速度计部分：加速度传感器选用飞思卡尔公司的MMA7361芯片，加速度传感器可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度。MMA7361选用了半导体表面微机械加工和集成电路技术，传感器体积小，重量轻等优点尤为突出。

測速模块：测速模块采用带有相位差的光点码盘，其可以利用FTM模块测出正反转。

电机驱动部分：在本平衡车系统中，由简单驱动芯片驱动加4个大功率MOSFET搭建而成，采用了10M高速光耦对输入信号进行了隔离，有效地防止驱动板干扰信号对控制板的干扰，使系统更加稳定可靠，且本驱动采用高品质全新原装功率管，因此，最高额定电流可达100A。

2 两轮自平衡车的控制程序算法介绍

本次开发使用IAR作为主要的开发工具，当核心控制开始执行程序时，先从主程序执行，并执行相关初始化程序，利用实时中断来实现平衡程序的运算并实现直立。

对于单独的初步直立，我们选用陀螺仪和加速度计来实现，具体参考图2.2，本设计采用MMA7361和ENC03通过角度互补融合方式获取平衡车的倾角和角速度，通过两个控制参数加权后，控制电机平均电压，使得平衡车产生相应的加速度，从而保持车模的直立。在倾脚的作用下，平衡车会朝着一个方面加速前进。在平衡车的角度控制模型的中产生角度偏差，使车子的这个方向倾斜加速。这个结果可以用来进行平衡控制。

为了更加的稳定平衡，我们采用双闭环系统来调节。在初步直立的基础上增加速度环控制机制，从而实现更加稳定的控制。

3 两轮自平衡车的综合调试与总结

3.1调试工具介绍

在本次的调试中，使用J-Link硬件仿真器实现在线实时仿真调试。为了调试的效果明显，而且省去使用示波器的些许不变，本次使用虚拟示波器是观察数据变化的曲线状态。在设计的过程中，软件的调试是至关重要的。对于本次的设计主要是使用IAR编程环境，选用本编程环境主要的原因之一是它支持J-Link在线调试，并可以在线读取硬件状态，及程序中各变量的动态值。

3.2具体调试思想

本设计选用PID调节方式，要进行相对较多的调试和调节相关参数详细步骤如下：

首先要实现初步的直立，需要调节陀螺仪和加速度计并对其相应的算法参数进行整定。先整定P参数，然后整定I参数，最后整定D参数。为实现平衡车较长时间的平衡并稳定运行，我们在此加速速度调节，采用PI调节，先整定P参数，然后整定I参数，使平衡车完全的平衡稳定。反复整定各项参数，使其参数达到最佳的控制方案。

4 结论

本论文主要完成了硬件搭建，软件编写，信号滤波，控制程序的修改等。在调试方面使用J-Link可以正常观察硬件状态并进行调试。软件部分主要是对传感器信号的躁动做简单的平滑处理，以及参考清华大学老师对于平衡原理讲解，完成主要的控制程序。同时增加了一款黑白摄像头进行周围环境的拍摄。

参考文献

[1] 袁泽睿.两轮自平衡机器人控制算法的研究[D].哈尔滨工业大学工学硕士学位论 文2006.6

[2] 张吉昌.单轴双轮自平衡代步车的研究与设计[D].中国海洋大学硕士学位论文 2009.6

[3]李发海.电机与拖动基础[M].北京：清华大学出版社. 第四版.2012.6：9-23 [4] 周毅漳.基于自抗扰控制的双轮自平衡机器人[D].福建：福建农林大学硕士学位论 文，2010.6

[4]潘丰.自动控制原理[M].北京.机械工业出版社，2010.8

[5]陈进.单级倒立摆的模糊控制应用[A].北京：工业仪表与自动化装置 2008.