基于单片机的智能两轮自平衡车的设计

赵一澎　唱红　夏靖坤　何金　刘莹

1. 引言

如今移动机器人面临的环境和任务越来越繁杂，在这种情况下，就需要移动机器人必须能够适应一些复杂的环境和危险的任务。因此开展对两轮自平衡小车的研究，这项研究在该领域的科研水平具有很重要的现实意义。

1.1 两轮自平衡小车的研究意义

在面临一些复杂环境和艰巨的任务时，移动机器人通常会碰到一些狭隘的危险工作，在面对这样如此艰难的环境，研究者们针对移动机器人如何灵活快捷的执行任务的问题进行了深度的研究。正是在这样一个背景下两轮自平衡小车的概念被提出来。两轮自平衡小车的优点在于可以适应复杂的环境和控制任务，可以保持车身的平衡，在安防或者军事上会有更广阔的应用前景。

1.2 两轮自平衡小车的技术

1.2.1 数学建模

建立系统的模型，建立的重点在于动力学方面，两轮自平衡小车的结构主要由车身和双轮子两部分构成。对两轮自平衡小车的建模方法，采用经典的力学方法，对小车进行受力分析，可分为车轮模型和车身模型两部分，最后通过对两者的稳定型和能观性的分析判断出系统的最优状态方程。

1.2.2 姿态检测

两轮自平衡小车通过检测小车的姿态来对小车进行控制。加速度计和陀螺仪等惯性传感器可以实时、准确的检测两轮自平衡车的倾角。因此，采用陀螺仪和加速度两个传感器相结合，通过融合的算法对于两轮自平衡小车来说是实现有效控制的关键所在。

1.2.3 控制算法

控制技术是运动控制的核心，两轮自平衡车属于本质不稳定系统，利用传统的PID技术进行可行性分析，传感器将车体的运动速度和倾角等信息传递给系统控制器，是车轮转速与角度值保持一致，系统控制器将最终命令传递给电机驱动器来完成系统的闭环控制。

2. 系统概述

两轮自平衡小车的组成很简单，保持小车平衡和运动都是通过控制两个车轮完成的。在未对系統进行控制时，小车处于静止的状态，此时的车身的状态可能会出现前倾或后倾。因此，控制系统对于两轮自平衡小车来说是至关重要的。

2.1 平衡原理分析

两轮自平衡小车是一个在重力作用下高度不稳定的系统，其平衡原理就是小车本身的自动平衡能力，对两轮自平衡小车进行受力分析，发现只有当车体重力的方向与地面对车轮的支持力的方向相差180°时，因受力平衡小车达到稳定平衡的状态。

当地面对车轮的支持力和车体之间呈现倾角θ的时候车体就会倾倒，由此可知θ角是导致车体倾斜的最大原因。因此，如果要小车保持平衡状态，就要把θ角控制在不至于倾倒的范围内。

2.2 控制系统分析

在对两轮自平衡小车进行控制时，小车平衡和运动的动力都来自于两个车轮直流电机来驱动，通过调节小车的倾角来控制速度。

小车作为一个控制对象，对小车的分析，其整个控制系统可以分为三部分：

（1）小车速度控制：调节小车的倾角。

（2）小车方向控制：控制两个车轮转速不同实现转向。

（3）小车平衡控制：控制两个电机来保持小车的平衡。

3. 系统硬件电路设计

本系统硬件电路设计主要包括单片机最小系统硬件设计、电源模块硬件设计、传感器电路设计和电机驱动电路设计。

3.1 最小系统硬件设计

本设计采用16位单片机MC9S12XS128为控制器，主要包括单片机供电、复位电路、时钟电路以及BDM接口电路。

3.2 电源模块设计

电源模块由若干相互独立的稳压电路模块组成。包括3.3V电源、5V电源、24V电源以及SV电源。

3.3 传感器电路设计

对于小车姿态检测而言，常用的惯性传感器有倾斜传感器、陀螺仪和加速度计。通常不会只有单一的传感器，只使用一种传感器难以准确的感知小车的姿态信息，而需要多个传感器的融合才可以获取更准确的数据，根据经济性的要求，最终选择陀螺仪和加速度计两种传感器用于检测小车的倾角和倾角速度。

3.3.1 加速度计电路设计

加速度计直接测量小车静态重力加速度来确定其小车的倾斜角度。本系统采用的加速度计是MMA7361。该加速度传感器是体积小，重量轻，可以同时输出三个方向上的加速度模拟信号。

3.3.2 陀螺仪电路设计

陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度。在本次的设计中采用的是MPU_6050陀螺仪传感器，如果角速度信号存在偏差和漂移，可以通过测小车的运行速度和加速度来校正陀螺仪的积分漂移。

3.4 电机驱动电路设计

步进电机控制性能好;控制电路简单，易维修，使得成本较低;对于起、停较频繁的场合，可以达到节电和保护电机的目的;具有直流电机良好的调速性能。综上优点十分适合自平衡车车轮的驱动。

4. 软件设计

软件设计的主要功能有：传感器采集数据、输出PWM信号、小车的控制，包括平衡控制和速度控制。软件流程如（图1）：

完成初始化后，首先进入直立检测子程序。该程序通过读取加速度传感器以及陀螺仪传感器的数值判断车模是否处于直立状态。在中断程序中不断的读取传感器数据，获取车模状态信息，然后通过读取的数据控制车模。

5. 结论

当前伴随着移动机器人的大规模商用，两轮自平衡小车以行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展，为了降低成本广泛推广，因此开展对两轮自平衡小车的深入研究，具有较高的实际价值和学术研究意义。

本文讨论了两轮自平衡小车通过加速度计传感器和陀螺仪传感器对小车的姿态进行检测，将信号传送到单片机系统，通过程序调用传送信号到电机，控制电机的转向和速度，通过这一系列的处理来保持小车的直立平衡，在达到平衡状态以后，通过手机蓝牙发出方向控制，蓝牙模块接收信号再传送到单片机系统，这样就可以控制小车的运动方向，大大提高了小车运行的速度。

参考文献：

[1] 梅晓榕.自动控制元件及线路.哈尔滨工业大学出版社.2004

[2] 屠运武，徐俊艳，张培仁.自平衡控制系统的建模与仿真[J].系统仿真学报.2004（04）.

[3] 尔桂花，窦曰轩.运动控制系统.清华大学出版社.2002

[4] 王晓宇，闫继宏，臧希喆等.两轮白平衡机器人多传感器数据融合方法研究[J].传感器技术学报.2007，（3）：668～672

[5] 赵杰，王晓宇，秦勇等.基于UKF的两轮自平衡机器人姿态最优估计研究[J].机器人. 2006： （11），605—609.

[6] 孔祥宜.自主式双轮动态平衡移动机器人的控制系统研究.上海交通大学硕士学位论文.2007

作者简介：赵一澎，沈阳工学院信息与控制学院17级电子信息工程专业，2018年获中国大学生计算机设计大赛二等奖;有着良好的团队合作精神，擅长平面设计、视频编辑等。唱红，沈阳工学院信息与控制学院17电子信息工程专业，爱好摄影，修图。作为新时代的青年人，我们应时刻保持心中有火，眼里有光。夏靖坤，沈阳工学院信息与控制学院17级电子信息工程专业，在此创新创业项目中负责选题，并制作两轮自平衡小车，擅长单片机嵌入式开发，自动控制，图像处理等。何金，沈阳工学院信息与控制学院18级电气工程及其自动化专业，新峰社团负责人。专业技能：擅长单片机编程，diy模型制作，视频制作剪辑。在此项目中负责单片机编程与小车模型制作。通讯作者：刘莹 信息与控制学院教师，方向，DSP技术及应用，嵌入式系统开发，3D建模等。