左右转角式平衡车平衡机理

杨青青

摘 要：我们提出一种新的自平衡车控制保持的方式，改变传统的以前后直立式，通过控制加速度来获得平衡的方式。而改为用陀螺仪测量车体的左右倾角，反馈给单片机中央处理芯片，再由芯片处理过后反馈给舵机，有舵机的扭力调整龙头的倾角实现平衡。

关键词：舵机、陀螺仪

随着科技的发展，无人平衡车慢慢进入人们的视线，电动平衡车，又叫体感车、思维车、摄位车等。市场上主要有独轮和双轮两类。其运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”（DynamicStabilization）的基本原理上（如图1）。

但这种平衡车利用车体内部的陀螺仪和加速度传感器，来检测车体姿态的变化，并利用伺服控制系统，精确地驱动电机进行相应的调整，以保持系统的平衡。是现代人用来作为代步工具、休闲娱乐的一种新型的绿色环保的产物。但有两个较为明显的缺点，第一个是安全性，前后靠控制加速度来获得平衡的方式一旦车体倾倒，肯定是向前或者向后方向的倾倒，这时候由于人的脚踩在平衡车上，最先着地的一定是人的头部，比较危险。第二个就是频繁的加减速电机的伤害会非常大。

而我们的车体平衡则是人左右方向的平衡。具体的原理打个形象的比方和自行车平衡的原理比较相似。只不过控制“龙头”转角的人手变成了我们的大扭力舵机，下达指令的大脑变成了我们的单片机芯片。

最为核心的部分是倾角的测量。倾角的测量非常的关键，是我们信息实时采集最为重要的数据。我们使用的芯片是MPU6050三轴陀螺仪，它能够精确的测量倾角。理想情况下，我们只需要测量某一个方向上的加速度值，然后这样就可以计算出小车的倾角，例如Y轴，X轴。我们的小车静止的时候，只存在重力加速度，没有运动加速度，此时X轴和Y轴都输出零。当小车有了一定的倾角后，重力加速度就会在X轴或Y轴上有分量，我们使用atan2（y，x）函数来说明，

航模电池的T型接口是整块板以高容量的航模电池供电，这种电池的优点是体积小，供电稳定。主开关控制整块板子的电流通断。电机驱动TB6612有点类似与从前的LM289系列，只不过随着工艺的改进，能够的更小。编码器电机接口1、2，线性CCD接口都是我们预留的，实际并未用到，只是我们考虑到随着进一步的开发，会有更多的开发需求预留在板子上。本块板子最核心的部分就是MPU6050三轴陀螺仪加速度计，（PU-60X0是全球首例9轴运动处理传感器。它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP（DigitalMotionProcessor），可用I2C接口連接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后就可以通过其I2C或SPI接口输出一个9轴的信号（SPI接口仅在MPU-6000可用）。MPU-60X0也可以通过其I2C接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器，这里我们能用它感知倾角和实时的运动状态，生成数据。

而对于NRF24L无线模块接口则是接受手机端或其他终端发过来的控制信息，达到远程控制或远程接收的效果。SWD调试接口连接STM32，程序下载接口是我们将把外部程序烧写进芯片使用的，OLED显示屏实时显示自行车的实时运行参数，用户按键是在总电源打开的状态下用户启动小车芯片的按键，STM31103F是主芯片，类似于“CPU”的功能。这里值得一提的是我们的超声波接口，超声波会测出小车与前方可能有的障碍物之间的距离，一旦低于一定的限度，车体会强制停车，保护安全。

参考文献：

[1]杨莘，刘海涛.基于STM32的两轮自平衡小车[J].数字技术与应用，2014，05：151-152.

[2]季鹏飞，朱燕，程传统，杜晓.基于STM32的两轮自平衡小车控制系统设计[J].电子科技，2014，11：96-99+105.