智能双轮平衡车的设计研究

王丽华　杨秀萍　王皓　高峥翔

摘要：智能双轮平衡车，其以简便和体积小等特点逐渐成为人们出行的最爱，但由于这种交通工具的平衡控制系统较为复杂，加上其包含的非线性和抢不稳定性等特点，使得传统的PID控制模式很难满足人们的需求，本文对当前智能双轮平衡车的设计进行了简单的介绍。

关键词：智能双轮平衡车；设计；神经网络

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）04-0140-01

针对环境保护而设计的智能双轮平衡车，其以存放方便和无污染而逐渐受到人们的重视，但由于该交通工具的技术含量较高，其在设计中存在的一些问题还无法得到有效的解决。本文作者通过自身的研究对当前智能双轮平衡车的硬件设计和软件功能等进行了简单的分析，并提出了一些改善智能双轮平衡车控制效果的对策。

1 现状分析

对于双轮平衡车的研究工作，我国同国外发达国家相比起步要晚一些，近些年随着我国对新能源交通工具的重视程度增加，双轮平衡车的研究也在逐渐深入，其作为一种特殊的交通工具，国家在政策方面的支持和辅助较强。通过大量的实验研究和验证，我国在2003年推出了第一款双轮平衡车，这标志着我国进入到了双轮平衡车的运行和应用阶段，随着我国PID算法的深入研究，双轮平衡车的应用性也在逐渐提高。

2 智能双轮平衡车的电路硬件设计

2.1 电路总体设计

对于智能双轮平衡车，其电路主要包含电源和控制芯片等内容，对于不同的模组，其采用的电路设计模式不同，对于其主控芯片，其在当前采用的是32位的微控制器，这种控制器的工作频率在150MHz。对于微控制器，在运行过程中主要是通过ENC03和MMA7361对双轮车运行过程中的数据进行采集，然后通过内部的程式对其进行数据计算和分析，从而实现对双轮平衡车的智能化控制，保证双轮平衡车的正常运行[1]。

2.2 主要硬件选择

对于智能双轮平衡车的主要硬件选择，其具有较高的要求，像陀螺仪和加速度计方面的选择，其一般采用的是当前比较先进的飞思卡尔MMA7361芯片，该芯片能对双轮车运行过程中遇到的各种环境进行快速的数据分析，并通过计算度传感器将地球引力以及物体运行过程中所产生的加速度数据传递到控制芯片中。对于MMA7361芯片，其采用的是半导体表面微加工技术，该技术中电路技术集成到小小的芯片上，然后通过传感器收集双轮平衡车运行过程中的各种数据资料，并对其进行分析。对于测速模块，其采用的是光点码盘，这种光点码盘自带相位差，能够通过上面的FTM模块对双轮车的正反转进行准确的测量。最后则是双轮平衡车的电机驱动方面，其采用的是驱动芯片和大功率MOSFET，在运行过程中其能够通过高速光耦对双轮平衡车的输入信号进行隔离，从而防止了运行过程中驱动面板对控制面板的干扰，保证双轮平衡车运行和控制的稳定性。

3 双轮平衡车的控制程度算法

对于本次设计的智能双轮平衡车，其控制算法采用的是IAR开发工具，这种开发工具能够保证平衡双轮车在运行过程中控制程序的逻辑化运行，其首先从主程序开始进行，通过初始化程序对智能平衡双轮车的数据参数进行调整，同时通过程序中的实时中断功能对平衡程序进行运算。而对于程序中的初步直立功能，采用的是陀螺仪和加速度计的结合来实现的，对于本次研究，其是通过MMA7361芯片和ENC03的角度互补来对双轮平衡车的角度进行计算和控制，保证平衡双轮车运行过程中的参数合理性。在双轮平衡车运行的过程中，通过对电机的平均电压进行控制能够给予平衡双轮车合适的加速度，保证运行过程中双轮车的直立状态。而在倾角的作用模式下，平衡车还能够获得用户需要方向的加速度，从而保证双轮平衡车的正常运行。为了保证双轮平衡车运行过程中的稳定性，我们通过双闭环系统对双轮平衡车的直立状态进行调整，保证其在直立状态下獲得对应的加速度。对于双轮平衡车，其在当前的应用范围较广，但由于其控制难度较大，因此，在进行控制算法的设计时，为了提高控制效率，降低控制难度，可以采用神经网络算法取代当前的PID算法，神经网络算法具有一定的自学能力，其能够根据环境参数的变化进行数据更新，是控制数据不断向着非线性系统变化，提高双轮平衡车的控制效果。通过神经网络系统和PID控制系统的结合，能够使双轮平衡车适应更加复杂的环境，提高其应用范围[2]。

4 智能双轮平衡车的调试

4.1 调试工具

对于智能双轮平衡车，其在本次研究中采用的是J-Link进行仿真模拟，为了实现调试参数的真实性，在进行调试的过程中将示波器的一些数据设置为固定值，然后通过虚拟数据图像将数据的变化情况进行清晰的展示。在进行智能双轮平衡车的设计工作时，其软件的调试工作时保证智能双轮平衡车正常运行的重要内容，通过IAR编程环境的使用，其能够在在线读取硬件的状态下对双轮车中的各项参数进行测试，保证测试结果的准确性[3]。

4.2 调试思想

对于当前的双轮平衡车，其在进行调试是选择的主要方式是PID调试方法，这种调试方法在调试的过程中需要调试的内容相对较多，具体的调试内容为：在进行调试前，首先需要保证双轮平衡车保持在直立状态，然后根据陀螺仪以及加速度计对双轮平衡车的相关参数进行调整。而而在具体的调试过程中，首先需要调试的参数为P参数，其次是I参数的调整，最后则是对D参数进行调整。为了保证平衡车在运行过程中能够保持长期的稳定性，在对双轮平衡车的加速度进行调整是需要采用PI调整模式，这样才能够保证双轮平衡车使用过程中的稳定性。

5 结语

综合上述所说，对于智能双轮平衡车的设计，其需要对硬件和软件以及信号等进行全面的调整和修改，调试则是采用J-Link对双轮平衡车的正常情况进行确定，而在软件部分，其调整主要是对传感器的信号传输功能进行调整，保证双轮平衡车运行过程中数据传输的稳定性以及平衡性等。

参考文献

[1]林枫，蔡延光.双轮自平衡车的双闭环式PID控制系统设计与实现[J].工业控制计算机，2017，（06）：73-75.

[2]秦富康，孟凡曦.基于线性CCD的双轮平衡车控制系统设计[J].机电产品开发与创新，2016，（04）：38-40.

[3]赖义汉，王凯.基于MPU6050的双轮平衡车控制系统设计[J].河南工程学院学报（自然科学版），2014，（01）：53-57.