设计一种两轮自动寻道平衡车

1、【作品介绍】基于电机驱动倒立摆的两轮自动寻道平衡车的设计摘要：随着现代科技的发展，人民生活水平不断提高，四轮车正在走进千家万户，为了节能减排，向绿色化交通发展，本课题提出了两轮平衡车。利用物理学倒立摆平衡原理和电子技术制作了两轮自动寻道平衡车。该作品包括1个芯片MC9s12XS、1个陀螺仪ENC03、1个加速度计MMA7260、1个线性CCD传感器TSL1401、4个按键和1个液晶显示器5110组成。通过按钮改变在液晶屏上显示的参数，能在不同类型的道路上自动寻道，以适当的速度自动地前进。能够顺利地通过弯道、十字叉道、虚线道、坡道，减速通过障碍地带，检测到终止线后在终止线处停车。实验结果表明，该

2、作品已实现了双轮车自动寻路，稳定行驶，具有性能可靠、操作方便、行驶自如等特点，达到国内先进水平。关键词：两轮自平衡；倒立摆；自动寻道物理学原理与电子技术的结合，促进了人类文明的发展。基于电机驱动倒立摆1的两轮自动寻道平衡车的设计，就是以物理学原理与电子技术专业知识为基础，结合课外活动小组人员的兴趣，制作的一件创新作品。1设计方案两轮自动寻道平衡车是由1个芯片MC9s12XS、1个陀螺仪ENC03、1个加速度计MMA7260、1个线性CCD传感器TSL1401、4个按键和1个液晶显示器5110组成。该作品采用1节7.2V可充电的馍镉蓄电池供电。由电源模块、驱动模块、显示系统、控制系统4个部分组成

3、，其结构电路图如图1所示。图1结构电路图其中电源模块电路图如图1所示。图1电源模块电路图其中驱动系统电路图如图2所示。图2 驱动电路原理图g*sin 0数据，软件通过卡尔曼滤2,卡尔曼滤波示意图如图 3所P输出占空比，控制4个PP端口4所示。电机的不同的转数。其中显示系统示意图如图图3卡尔曼滤波图4 5110显示器驱动系统利用1个MC9s12XS单片机作为驱动系统核心，10个BTN7860B芯片控制80个信号输出口，其中MC9S12XS单片机的2个AD端口分别控制陀螺仪ENC03和加速度计MMA7260,接收陀螺仪和加速度计分别测得的角速度和波，将角速度和角度柔和，在虚拟示波器上显示卡尔曼滤波

4、示，运用PID控制原理，将柔和的角度加上一个放大比例自动寻道平衡车的控制系统包括通过直立控制、速度控制和方向控制三个方面。两轮自动寻道平衡车设计成一个倒立摆，当车子向前倾倒的时候，电机顺时针转动，即正方向转动,重力、摩擦力的合力使车子加速运动，同时使车子平衡；相反，当车子向后倾倒的时候，电机反方向转动，重力、摩擦力的合力使车子反方向加速运动，同时使车子平衡。其中直立控制，是通过控制电机正反转运动保持车子直立平衡状态，其示意图如图5所示；其中速度控制，是通过车子的倾角来实现车子速度控制，实际上最后还是演变成通过控制电机转速来实现车轮速度的控制；其中方向控制，是通过控制两个电机之间的转动差速实现车

5、子转向控制，通过液晶显示器5110显示自动寻道平衡车各个参数，调试者通过按键修改参数，使自动寻道平衡车达到最佳状态，从而实现在车道上自动行驶。电机驱动的倒立摆达到平衡2技术难题(a)直立平衡。物体的重心必须通过支点、支面、支线，才能平衡。对于两轮自动寻道平衡车，其重心必须在两轮着地点连线上，如果不在连线上，则需要通过电机转动产生加速度，来保持车子的直立平衡。(b)当车子重心不在两轮着地点连线上时，就需要启动电机驱动轮子作加速运动，以保持车子的平稳运动，但是电机的转速直接影响到车子的稳定性，车子在平衡位置会来回振荡，甚至会产生过冲。在调试过程中，需要编制程序，适当地应用电机逆时针转动和顺时针转动

6、，来消除由于过冲而产生的震荡，但是这一阻尼力不能过大。假如过大，又会产生车子的高频抖动。(c)在车子行驶过程中，随时调节车体与竖直方向的角度，这一角度的调节也需要适当，如果角度调节得过慢，车子的速度则难以控制，会仍然朝一个方向加速；如果角度调节得过快，车子又出现超调现象，出现先加速后减速再匀速；只有角度调节速度合适，车子才能匀速地行驶。(d)速度控制是重要的，运动的方向更重要。两个轮子速度相同，则作直线运动，遇到弯道内轮转速必须小于外轮转速，两轮子的速差要与道路的曲率半径相匹配，才能顺利地通过弯道，否则两轮子的速差过大或者过小，都会偏离弯道，而发生侧翻。(e)车子在拐弯时，尽管两轮子的速差已经

7、控制好，但还是容易产生侧翻。为了解决这一问题，先是分析了容易侧翻的原因，再采取一定的措施。当车子通过右弯时，左轮容易侧翻；当车子通过左弯时，右轮容易侧翻。这是由于在车子转弯时，其中一轮的对地压力变小，从而摩擦力变小，所以容易产生向弯道内侧翻。解决的方法是，在车子上加大载荷，且使重心变低，等一系列方案。（f）仅控制车的平衡还不能让车子正常前进，当车体与竖直方向的角度增加时，需要增大电机的转速，才会朝某个方向加速，否则只会倒下，因此需要通过软件来根据车体的角度来控制电机的转速。解决的方法是，采用PID控制原理3,当车速增加，车体与竖直方向的角度减小，通过减小电机的转速来降低车子的速度；在车子匀速行

8、驶的时候，MC9s12XS单片机的2个PA端口CLK和SI控制TSL1401传感器，其中CLK是周期性的矩形脉冲高低电平等周期变化，SI是单个矩形脉冲，在拉高电平后，迟续多个周期的低电平，通过PA端口输出高低电平，当TSL1401传感器获取数据后，进行分析道路的情况，对道路白色和边缘黑色进行二值化处理。当分析到前方是弯道的时候，需要控制车子左右轮的转速，内轮减速外轮降低让车子拐弯，才能正常行驶。最后，利用MC9S12XS单片机的5个PA端口和4个PB端口，分别控制液晶和按键，完成显示和按键的功能，用于调节参数。自动寻道平衡车及其运行道如图6所示。图6自动寻道平衡车及其运行道3实验结果本作品（a

9、）运用倒立摆原理，让小车直立在地面上不倒，完成直立方案；（b）根据车体与竖直位置的角度来控制小车的加速度，让小车平稳运行；（c）利用光电传感器为小车判断方向行驶，完成方向控制。实现自动寻道，具有性能稳定、操作方便、行驶自如等特点。该自动寻道平衡车能在28s内自动行驶37m,道路上包括曲率半径为0.75m的直角弯道、120°弯道及大S型弯道，还包括十字交叉和小S型弯道。自动寻道平衡车能通过带有虚线的道路以及30。倾角的坡道。自动寻道平衡车还能越过高5mm宽10cm的障碍物（模拟减速带）。4结束语现代技术的不断发展，产生的弊端就是带来的就是能源的损耗和环境的污染。研究的基于电机驱动倒立摆的两轮自动寻道平衡车4-6,在不同类型的道路上能自动寻道，以适当的速度自动地前进。能够顺利地通过弯道、十字叉道、虚线道、坡道，减速通过障碍地带，检测到终止线后在终止线处停车。这种车子不但性能稳定、操作方便、行驶自如，而且无需石油能源、无排放、无噪声、无污染，节约能源，对将来发展双轮自平稳车有着重要的意义。参考文献：1卓晴，黄开胜,邵贝贝.学做智能车M.北京航空航天大学出版社.20072谭浩强.C程序设计M.清华大学出版社.20013刘金