基于KEA128的电磁感应平衡车硬件电路

北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业论文摘要两轮自平衡车具有车体模型体积小、快速转向、可在多种环境下工作等特点，对其的多项研究成果已在交通运输、工业自动化、生活娱乐等方面投入使用。在计算机技术、电子技术高速发展的情况下，可自动驾驶的智能车能够独立对当前环境进行感知，并快速做出反应，进行加减速、转向等操作，已经成为了当前自动控制领域内的一个研究热点。教育部举办的“恩智浦”（原“飞思卡尔”）智能车大赛，是一项针对自动控制领域当前研究热点的竞赛，为广大本科生提供了一个能够研究并应用自动控制技术的平台。本文以第十一届“恩智浦”智能车大赛为背景，运用S9KEAZ128AMLK单片机，设计了一种通过电磁感应识别道路的两轮自平衡车系统。本文首先建立了力学模型，对平衡车的控制原理进行了分析。通过对系统的需求分析，对单片机型号进行选型，并且对整体任务进行分解，以模块化的方式对各项功能进行实现，完成系统的平衡控制、速度控制、方向控制以及道路识别等任务。最后,对机械结构进行搭建并且将各模块合理地安装至车模上，完成了本系统的硬件电路设计与功能实现。关键词：两轮自平衡车；S9KEAZ128AMLK单片机；力学模型；硬件电路设计

HardwareCircuitDesignofElectromagneticInductionBalanceCarSystemBasedonKEA128AbstractThetwo-wheeledself-balancingcarhasthecharacteristicsofsmallsize,faststeering,andcanworkinvariousenvironments.Manyofitsresearchresultshavebeenputintouseintransportation,automatedproductionandentertainment.Withtherapiddevelopmentofcomputertechnologyandelectronictechnology,self-drivingsmartcarscanindependentlysensethecurrentenvironmentandquicklyrespondtoacceleration,deceleration,steeringandotheroperations,whichhasbecomearesearchhotspotinthefieldofautomaticcontrol.The“NXP”(formerly“Freescale”)SmartCarCompetitionheldbytheMinistryofEducationisacompetitionthatfocusesoncurrentresearchhotspotsinthefieldofautomaticcontrol.Itprovidesaplatformforundergraduatestostudyandapplyautomaticcontroltechnology.Basedontheeleventh"NXP"SmartCarCompetition,thispaperusestheS9KEAZ128AMLKmicrocontrollertodesignatwo-wheeledself-balancingcarsystemthatrecognizesroadsthroughelectromagneticinduction.Inthispaper,theforceanalysismodelisfirstestablishedtoanalyzethecontrolprincipleofthebalancecar.Throughtheanalysisofthedemandofthesystem,themodelofthesingle-chipmicrocontrollerisselected.Furthermore,theoveralltaskisdecomposed,andvariousfunctionsareimplementedinamodularmannertocompleteeachtaskfinally.Finally,themechanicalstructureisbuiltandthemodulesarereasonablyinstalledonthecarmodel,andthehardwarecircuitdesignandfunctionimplementationofthesystemarecompleted.Keywords:two-wheeledself-balancingvehicle;S9KEAZ128AMLKmicrocontroller;mechanicalmodel

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1绪论 绪论1.1引言随着电子技术、人工智能、5G技术的不断发展和成熟，机器人作为集成了这些技术的代表，越来越受到各国的重视。在一般的研究中，机器人一般分为可移动与不可移动两类，而可移动的机器人由于其可移动性高与使用场合多成为领域的研究热点。可移动机器人一般通过安装车轮、履带或结合仿生学安装机械腿等方式进行移动。其中，由于安装车轮的轮式机器人有着生产成本低、容易控制等优点，在实际应用的应用更为广泛。在众多类型的轮式机器人中，两轮自平衡车具有车体模型体积小、结构简单、机动性高等特点，可以应用于狭小空间和对人类危险的复杂环境中进行探测工作，有巨大的发展空间和应用前景。两轮自平衡车由于其只有两个车轮，是一个高度不稳定的系统，需要电机驱动两个车轮，通过运动保持平衡，因此虽然其结构简单但是系统特征十分复杂。通过对两轮自平衡车的这种基于倒立摆系统模型研究，可以类推出其他种类机器人的控制方式，应用到相关类型领域。因此，两轮自平衡车是一种良好的自动控制系统实验平台，能够对控制算法、控制理论进行研究与检验[1]。本文所研究的两轮自平衡车在交通运输、工业自动化、生活娱乐中有着广泛的应用。在交通运输方面，体积小巧、转弯灵活、价格适中的两轮电动代步车满足了大众在短距离代步的需求，成为新一代的代步工具[2]；工业自动化方面则体现在物流运输上的应用[3]；生活娱乐方面则是消费者喜爱的玩具[4]。因此，对两轮自平衡车的研究和学习不仅能够培养综合能力与实践能力，还在社会生活等方面都具有重要研究意义。1.2国内外研究现状上世纪末开始，国外就有针对两轮自平衡车的初步研究。1980年，日本的山藤高桥教授[5]在论文中阐述了自己关于两轮自平衡车的理解，并且在毫无前人经验的情况下，应用有限的技术制作了一台两轮自平衡车。该平衡车仅能做前后运动，无法针对道路情况进行转弯等操作。2001年，美国Segway公司将其生产的“Segway”两轮自平衡车推向市场，令平衡车进入公众视野[6]，如图1.1所示。“Segway”平衡车可以承受一个成年人的重量，并且其内置了多个姿态传感器，可令驾驶者通过身体重心的改变来控制双轮车的前进、后退、转弯、加速、减速等动作。图1.1驾驶Segway图2002年，瑞士的FelixGrasser的团队制作了一个基于陀螺仪感知自身倾斜状态的平衡车“Joe”，如图1.2所示。该平衡车的陀螺仪在倾斜角度变化时会产生不同的电压，主控芯片通过读取陀螺仪的电压值，对当前倾斜角度进行计算，并且做出相应的调整，控制车轮运动保持平衡。图1.2Joe平衡车在针对轮式机器人的研究过程中，有开发者考虑了将轮式机器人结合其他运动方式进行改进。2017年，美国BostonDynamics公司参考了人形机器人的特点，将其与两轮平衡车结合，制作了一个全新形态的自平衡机器人“Handle”，如图1.3所示。“Handle”不但拥有两轮自平衡车转向灵活的特点，还具有在人形机器人在特殊环境下工作的能力。

图1.3Handle机器人目前，国内也开展了针对两轮平衡机器人的研究。同时，相关企业也逐渐开展两轮平衡车的业务，将两轮平衡车商业化，走进人们的生活当中。2003年，经过多个院校的共同合作研究，制作了国内第一个两轮平衡机器人[7]。2009年，西安电子科技大学针对SPCE061A单片机进行研究，并以该单片机主控芯片，制作了一种新型两轮自平衡机器人。该机器人安装了可感知当前倾斜角度的传感器，在机器人有倾倒趋势的时候，主控芯片读取传感器的数据，通过电机驱动车轮，在保持平衡的情况下运动。2012年，纳恩博电动平衡车公司主要致力于平衡车的商用化，将平衡车作为代步工具进行出售，平衡车逐渐进入公众视野。2015年小米科技收购电动平衡车鼻祖Segway，推出了重量仅为12.8kg且行驶速度可达16.8km/h的小米九号平衡车。上述这些研究成果以及市场概况，有很多值得我们借鉴的地方，也提供了很多我们未来可以研究的方向。从以上的研究成果可以概括，在建立了合适的平衡模型的基础上，通过各类传感器如陀螺仪、加速度计、倾角传感器等与高速的控制芯片合作，采用高效的控制算法进行实时处理，可以根据实际情况做出相应的调整，以保持平衡。1.3本文主要研究内容本文参考了大量国内外相关领域的文献资料，将以两轮自平衡车系统为研究平台，重点研究系统的力学模型并结合硬件电路设计，通过实现两轮自平衡车的研究与制作。为更好地完成两轮自平衡车的直立行走并自动识别道路任务，本文将采取模块化的设计理念，将此任务分为多个模块进行研究与实现。具体内容如下：（1）根据两轮自平衡车的结构特点和直立特性，建立并研究其平衡状态下的力学模型。通过对力学模型的理论分析可以得出直立平衡的条件，并根据此条件提出自动控制方案。（2）为两轮自平衡车选取适合的核心控制芯片，以达到高速处理各类信息的目的。同时研究不同型号的陀螺仪、加速度计、工字电感等传感器，为系统提供实时的平衡车倾角、角速度、方向等具体数据，实时调整自身姿态与方向。（3）研究主控电路的设计，搭建电源管理电路、电机驱动电路、电磁感应分析电路等，配合各类传感器与电子元器件，完成整个电路框架的搭建。（4）为使系统模型更加稳定，需要研究机械结构，将电机、编码器、电磁感应支架等安装至合适位置，尽可能降低重心来让车辆运行时更加平稳。（5）配合控制算法，搭建完整可运行的两轮自平衡车系统，可沿铺有交流电线的到路循迹稳定行驶。1.4本章小结本章首先阐述了两轮自平衡车的研究背景，提出了两轮自平衡车的重要研究意义，并综合国内外对于两轮自平衡车的研究状况进行了讨论，体现了本文研究方向的正确性。最后，对本文的主要研究内容进行了概括性阐述。2系统原理介绍与模型分析2.1直立控制原理两轮直立平衡车的直立控制是通过负反馈机制实现的，所谓负反馈机制，就是通过安装在车模上的倾角传感器采集倾斜角度与倾斜趋势（加速度），通过控制电机控制轮子转动，抵消倾斜的趋势便可以令车身保持平衡，如图2.1所示。图2.1运动平衡示意图为了更好地说明两轮自平衡车的模型与其控制方式，本文将建立两轮自平衡车的力学模型，从理论上说明平衡车的控制方式。首先对平衡车的平衡方式进行观察，其经过简化后的模型类似于底部可以运动的倒立摆模型，而直接研究倒立摆模型不便于理解，因此本文将其与单摆模型进行类比研究，如图2.2所示。图2.2单摆模型与车模简化的倒立摆模型首先建立单摆模型，假设一重物与上放一个固定点通过一根线连接，对其进行受力分析，如图2.3所示。图2.3单摆模型受力分析该重物在平衡状态下会保持在中垂线的位置，当重物离开中垂线位置即脱离平衡状态后，会受到重力与线的拉力的合力，其大小为 （式2.1）在合力的作用下，重物会在空气中做往复运动，最终会由于空气阻尼力而恢复到初始中垂线的平衡位置。这个过程的持续时间会随着偏移角的增大而增大，同时会随着空气阻尼力的增大而减小。因此可以得出结论，重物能在稳定在平衡点是由于受到了与偏移角方向相反的合力、受到了与运动方向相反的空气阻尼力。对比倒立摆模型，进行受力分析，如图2.4所示。图2.4倒立摆模型受力分析倒立摆在偏离中垂线位置时，并不能像单摆一样自然回到中垂线，因为当倒立摆偏离中垂线后会受到的合力与运动方向相同，因此不会令倒立摆回到中垂线位置，最终令倒立摆倒下。为了让倒立摆能够像单摆模型一样重新回到中垂线位置，需要给倒立摆一个额外的力，该力需要与运动方向相反，帮助倒立摆回到中垂线位置。倒立摆的驱动电机控制的车轮提供了所需要的全部动力，为了令倒立摆受到额外的力，需要令车轮作加速运动，此时整个倒立摆受到的合力为： （式2.2）式中，由于很小，可以对其进行线性化处理。假设负反馈控制是车轮加速度与偏角成正比，比例为。设重力加速度为，如果则合力的方向就与倒立摆的运动方向相反，此时倒立摆就有能力恢复到平衡位置。但是，本文的两轮直立平衡出需要应对各种不同的环境，需要快速做出响应。因此，需要令倒立摆恢复平衡的速度更快，就需要增大阻尼力。上文论述的阻尼力主要是指空气中存在的空气摩擦力，但是空气摩擦力在现实中是一种几乎可以忽略不计的力，因此需要另外增加控制阻尼力，此时式2.2可变为 （式2.3）式中，为倾角，为角速度，后两项即为保持平衡所需要的加速度，如式2.4所示 （式2.4）式中，、为比例系数，两项相加后作为车轮加速度的控制量。只要满足、的条件，车模便可以像单摆一样稳定在直立状态，并且适当增加可以让车模恢复平衡的速度更快。经过上述分析可知，令车模保持稳定平衡的条件为获得车模倾角与角速度的精确数据以及控制车模底部车轮的加速度。2.2速度控制原理相对于四轮的速度控制，两轮直立平衡车的速度控制则更为复杂。这是因为车轮要通过加速来保证车模的平衡，同时还需要在运动过程中控制车模的行驶速度，因此对驱动电机的控制需要更好的策略。在上文的直立控制原理中可知，车模在没有外力的情况下会向一侧倾倒，并且因为重力的存在会加速倾倒。因此，即使一辆没有动力的平衡车，在一开始前倾的情况下，也会向前运动，直到车模倒地。此时，车模上安装的采集倾角的传感器便起到了重要的作用。当传感器感知到车模有前倾趋势时，将车模保持一定的前倾角度，车模就会以一定的速度向前行驶，倒退则同理。因此，控制速度只要通过控制车模的倾角就可以实现。为了控制车模的倾角并且维持所需要的角度，需要对车模的动力进行研究。驱动车轮转动的电机是车模的唯一动力来源，然而电机并不能返回具体的速度参数。因此，可以通过在电机上安装光电编码器的方式，通过脉冲信号计算电机转速。2.3道路识别原理本文的系统调试环境是一总长约20米的PVC材质跑道，道路元素包括直道、弯道、十字路口、环岛路段等。道路中央铺设有一根通有交变电流的漆包线，根据麦克斯韦电磁场理论，交变电流会在周围产生突变的电磁场。在电磁场中放置一个电感线圈，电磁感应会使线圈内产生交变的电流，由毕奥-萨伐定理可知，单个电感感应电动势为 （式2.5）式中，为比例系数，为电感高度，为电感距离中心线的水平距离。因此，两轮直立平衡车的道路识别将通过在车模前端安装多个电磁感应线圈实现，本文将在车模前端水平安装电感，当车模偏离道路中心时，检测到的感应电动势会随之减小，从而可以计算出车模与道路中心线的偏离距离，同时做出响应的调整，图2.5说明了这种情况。图2.5电感线圈的偏移影响感应电动势2.4方向控制原理由道路识别原理可知，两轮直立平衡车可通过电磁感应识别当前道路是直道或者弯道。当遇到弯道时，车模便需要通过方向控制来沿弯道行驶，避免驶出道路。车模的转向需要两个车轮的当前转速差，该转速差可通过安装在驱动电机上的编码器获得，通过测得的电机转速可计算出两个车轮的转速差。同时，车模前进行的方向由道路识别模块提供响应的电磁感应电压，车模通过电磁感应电压控制电机，调整当前两车轮的转速差，以此实现车模的转向。在某些特殊路段如十字路口和环岛路口，会出现两根通有交流电的漆包线交叉重叠的情况，此时需要在程序中做特殊处理，比如十字路口有垂直横跨当前道路的漆包线，此时可以左转或右转，则判定为十字路口，向前直行。在实际的系统中，车模会安装诸如电池、支架、电路板等比较重的物体，在道路上运行的过程中会因为自身重量过大而有较大的惯性，在高速行驶并转弯的过程中很容易因为较大的惯性而冲出道路。为了防止这种现象的发生，首先需要降低车模的重心，同时需要检测车模的转动速度，当需要转的弯过大时，降低车模的速度，以保持车模的稳定。2.5本章小结本章应用了模块化设计理念，将复杂的两轮直立平衡车直立行走任务分解成较易实现的模块进行研究，并且对各个模块的原理进行的分析。同时，还对各模块的实现制定了大致方案，为后续的硬件设计打下了良好的基础。3硬件电路设计3.1总体设计硬件电路设计是两轮直立平衡控制系统最主要的部分，一个稳定、高效的硬件电路，是实现控制策略、控制算法的基础。本文将采用恩智浦NXP公司生产的KinetisKEA128系列的S9KEAZ128AMLK单片机，基于该单片机对系统的各个电路模块进行逐步设计，最终设计出完整的硬件电路。两轮自平衡车的硬件部分将由单片机最小系统、电源管理模块、电机驱动模块、速度检测模块、倾角测定模块、电磁感应模块、蓝牙通讯模块以及其他硬件设备组成。控制系统将通过单片机来控制上述的各个模块，令整个系统能够高效运行。整体系统框架图如图3.1所示，系统程序流程图如图3.2所示。图3.1控制系统总体设计图3.2程序流程图3.2单片机介绍S9KEAZ128AMLK是32位单片机，在储存器方面包括128KB的Flash储存器与16KB的SRAM；模数转换方面包括1个16通道的12位模数转换器（ADC）；电机驱动方面具有1个9通道PWM模块，这些模块组成了该单片机的主要功能模块。单片机芯片能够将CPU、RAM、ROM和I/O等资源整合起来，但是需要外部电路的支持，才能保证单片机充分发挥其性能，因此，就需要单片机最小系统。单片机最小系统是能够通过串口等与人进行通信，包括下载程序、发送命令等。搭建好单片机最小系统后，就可以进行单片机硬件系统的调试。本文所用的S9KEAZ128AMLK芯片的最小系统需要有以下几部分组成：（1）电源电路。根据芯片手册的介绍，该单片机的供电电压一般是3.3V。由于本文采用7.2V的电池供电，因此需要设计电源电路降7.2V电压降至3.3V，如图3.3所示，令单片机可以稳定运行。图3.3电源电路图（2）复位电路。考虑到自平衡车系统较为复杂，程序可能会陷入某种异常状态，因此需要复位电路让单片机重新启动。复位电路主要包括复位按键与上拉电阻。当单片机正常工作时，VD0口通过上拉电阻与电源正极连接；当单片机需要复位时，按下复位键，此时VD0接地，单片机复位，电路如图3.4所示。图3.4复位电路图（3）时钟电路。根据芯片手册介绍，虽然S9KEAZ128AMLK单片机有31.25至39.0625kHz的内部振荡器作为时钟，但是其稳定性比较差，因此需要以石英晶体震荡器作为外部时钟电路，以保证其稳定性。根据上述最小系统各部分的电路需求，本文综合考虑了单片机容易损坏不易更换等问题，选用了山外的最小系统核心板，如图3.5所示，该核心板包括上述所有电路，基本满足了两轮直立平衡车系统的需要。同时，该核心板引出72个IO口作为直插引脚，可通过直插的方式接入外部控制电路，方便在单片机损坏时进行快速更换。图3.5最小系统板3.3电源管理模块在两轮自平衡车系统中，无论是单片机工作还是电机驱动都需要电源。本文基于价格、能耗等方面的考虑，选择了镍铬电池，如图3.6所示。该电池可提供7.2V电压，2000mAh的电池容量，在实际应用中能够很好地满足各模块的供电需求。图3.6镍镉电池考虑到各模块对电压的需要以及稳定性，两轮自平衡车系统需要电源管理模块来对电池电压进行调节。其中，电机驱动模块需要7.2V电压；单片机最小系统、电磁感应模块需要5V电压；倾角测定模块与蓝牙通讯模块需要3.3V电压。同时，由于本文的倾角测定模块是通过采集AD值来计算加速度，需要电压保持稳定，因此本文采用AMS1117作为稳压芯片，如图3.7所示。图3.7AMS1117稳压芯片本文采用固定输出电压为3.3V与5V的AMS1117芯片，为倾角测定模块中的传感器提供稳定的3.3V工作电压、为单片机最小系统、电磁感应模块提供稳定的5V供电电压。本文在稳压电路中采用0.1μF与10μF的电容，确保AM1117的稳定性，电路图如3.8所示。图3.8电源管理电路3.4电机驱动模块电机的选型是两轮自平衡车很重要的一部分，首先两轮自平衡车的电机需要实现转动、稳定运行，同时由于自平衡车还会搭载电路板、电磁感应支架等重物，因此还需要有一定的荷载作用，要能够输出较大的转矩来实现带负载运动。因此，本文选取直流减速电机作为自平衡车的驱动电机，如图3.9所示。直流减速电机有易控制、调速范围广、转矩大等特点，能够很好地实现自平衡车的功能。图3.9直流减速电机在驱动电机方面，本文采用脉宽调制控制方式对电机进行控制。由于平衡车具有两个驱动电机，因此需要两组电机驱动桥电路，本文采用4片IR2104S搭建成双H桥电路来驱动电机。IR2104S是高压、高速功率型场效应管和绝缘栅双极型晶体管的带高、低端参考输出通道的驱动器件[8]，具有减速性能好、稳定性高、效率高等特点。应用电路图如图3.10所示。图3.10电机驱动电路3.5速度检测模块两轮直立平衡车的速度检测是系统闭环控制中很重的一环，该闭环的反馈量是电机的转速，控制性能的良好发挥也取决于转速测量的精准性。常用的测量电机转速的方式主要是测频法、测周期法和测频率/周期法。其中测频法是通过在单位时间内光电码盘的输出脉冲数目进行计算，得出电机的转速，适用于电机转速较高的场合；测周期法则是先测量光电码盘产生的脉冲周期，再通过脉冲周期计算出电机转速；测周期/频率法是同时测量时间与在此时间内光电脉冲发生器产生的转速脉冲信号的数目，以此计算出电机转速[9]。由于两轮直立平衡车需要应对多种复杂的道路，需要同时兼顾低速与高速的测量精度，因此本文选用256线正交解码编码器，如图3.11所示。图3.11光电编码器3.6倾角测定模块由2.1节直立控制原理与2.2节速度控制原理可知，车模的倾角是控制车模平衡与行驶速度的重要部分。当车模需要向前行驶时，单片机控制车模前倾，倾角测定模块采集当前倾斜角度，通过电机驱动维持当前倾角，实现车模的稳定运行。常见的倾角测定模块由陀螺仪与加速度计组成，这是由于陀螺仪在使用的过程中，随着使用时间增加，会有温度漂移的现象。此时对陀螺仪采集的数据进行计算不能得到准确的角度，也就无法准确控制车模的角度，保持系统的稳定，因此需要陀螺仪与加速度计配合使用。市面上常见的陀螺仪是ENC-03系列，ENC-03系列又分MA、MB、RC三种。MA与MB的封装与参数一样，RC则封装较小。本文将ENC-03MB与ENC-03RC作为静态测试，AMS1117-3.3V供电，环境温度19度，测试长期加电的输出漂移，测试点为运放输出，为10位AD所采集的原始数据。如表3.1所示。表3.1ENC-03MB、ENC03RC对比测试型号时间10s时间1min时间10min时间1hENC-03MB0x1f40x1f20x1f10x1f2ENC-03RC0x2a30x2ac0x2b50x2b2由上表得出结论，RC的效果不如MB，因此本文选择ENC-03MB作为陀螺仪，加速度计则选用常见的MMA7361。考虑到便于更换倾角测定模块与焊接技术的限制，本文采购了一款集成ENC-03MB陀螺仪与MMA7361的加速度计模块，如图3.11所示，可采用直插的或连接杜邦线等方式接入主控电路板。图3.12倾角测定模块3.7电磁感应模块道路中心线的电磁线检测是保证车模运行在道路上。常用的基于三极管的电磁信号放大检波电路如图3.13所示。该电路采用三极管对检测的电磁信号进行放大，后级采用倍压整流电路进行检波，可以得到左右两个感应线圈所检测到的磁场的强度。图3.13基于三极管的电磁信号放大检波电路虽然该电路简单实用，但是为了进一步提高检波的灵敏度，可以再增加一级三极管放大电路。但是组成的分立元件的放大检波电路存在工作点电压调整复杂、电路的放大倍数依赖于三极管的电流放大倍数和基极导通阻抗等缺点，因此本文采用基于INA128运算放大器的放大检波电路，如图3.14所示。图3.14INA128运放电路INA128是低功耗、高精度的通用放大器，具有内部噪声小、可低电压运行的特点。INA128经过激光矫正，具有非常低的偏置电压、温度漂移，虽然可以对电路进行外部补偿，但是在多数情况下都无需进行调整，是较为理想的选择。3.8蓝牙通讯模块由于车模在调试过程中需要经常读取倾角测定模块测得的倾角与倾角加速度等信息，因此需要蓝牙通讯模块将车模与PC机连接，实时读取信息。本文使用常见的HC-05主从机一体蓝牙模块，如图3.15所示。图3.15蓝牙模块该模块为主从一体，可将PC机设为主机，车模的单片机设为从机，在配对成功后可以作为全双工串口使用，无需了解任何蓝牙协议。3.9本章小结本章首先对主控电路的核心——单片机S9KEAZ128AMLK进行介绍，并根据实际需求，对各硬件模块的芯片选型、电路设计进行介绍。其中，电源管理模块将电池所提供的7.2V电压降压至5V与3.3V，为系统中其他模块对电压的不同需求提供了稳定的电源支持。电磁感应模块则采集单片机判断自平衡车的行进方向所需要的信号，单片机对信号进行判断后进行方向与速度的调整。此时需要电机驱动模块、速度检测模块与倾角测定模块相互配合，保证自平衡车沿着道路中心线以稳定的速度运行。最后系统可以通过蓝牙通讯模块将运行时的数据发送至上位机进行分析。4系统的安装与调试4.1两轮直立平衡车车体模型介绍两轮直立自平衡车各系统的控制都是在机械结构的基础上实现的，因此在设计整个平衡车系统之前需要对机械结构有一个大体的框架，然后根据各模块的工作原理，针对具体情况来对机械结构进行调整，并在实际的调试运行过程中不断地进行改进优化和提高结构的稳定性。本文选用的是智能车竞赛专用模型，该车模配套直流减速电机RS-540，车模外形如图4.1所示。图4.1车模外形该车模具有材质轻、不易变形、轮距宽等特点，令车模不易受自身重量的影响，在加装电路板、电池、支架等结构后能够保持稳定运行。4.2编码器的安装与调试由3.6节速度检测模块的介绍中可知，编码器是控制系统中非常重要的一环。本文将采用256线正交解码编码器安装至驱动电机带动的齿轮上，以此测量电机转速。为了更好地固定编码器，以防发生滑齿等造成转测测量不准等问题，本文使用亚克力板定制了固定支架，与铜柱配合安装至主齿轮上，安装效果如图4.2所示。图4.2编码器的安装效果图编码器通过齿轮与驱动电机连接，需要控制好咬合力度，如果咬合力度过大，会阻碍电机的转速，同时会对齿轮造成损伤；如果咬合力度过小，则容易造成滑齿等问题。4.3电路与电池的安装本文使用AltiumDesigner15进行电路的绘制，同时，考虑到系统需要的功能较为复杂，因此本文将系统电路分为主控电路与电磁感应电路，避免电路板过大无法安装，详细电路原理图与PCB图可见附件2~7。将绘制好的电路版发至工厂加工，选购电子元器件焊接完成，如图4.3、4.4所示。图4.3主控电路实物图图4.4电磁感应电路实物图电路板均根据车体模型进行打孔设计，便于通过螺丝固定在车模上。安装效果如图4.5所示.图4.5电路安装效果图同时，电池作为整个系统的动力来源，具有体积大、质量重的特点。因此，为了保证车模的稳定性，需要令车模的重心降低，电池需要安装至靠近底盘的位置。本文选购了电池支架，通过绑带的方式将电池固定至车模底部以降低重心，如图4.6所示。图4.6电池安装效果图4.4前瞻电感的安装由上述电磁感应原理可知，平衡车通过电感识别与道路中心线的偏离情况。本文采用10mH的工字形电感，连接加长的杜邦线至电磁感应电路，如图4.7所示。图4.7工字型电感与延长线同时，为了令车模能够提前感知道路状况，以做出相应的转弯、直行等动作，因此需要在车模前方安装支架，并把电感安装至支架下方。碳纤管具有硬度高、质量轻等特点，因此本文选取了不同粗细的碳纤管作为支架，如图4.8所示，在保证稳定性的同时尽可能减少车模的负重。图4.8电磁感应支架组装好电磁感应支架后，使用绑带与热熔胶将工字型电感安装至支架前方，再将支架安装至车模上，并且尽可能将重心放低，以便更好进行转弯。最终安装效果如图4.9所示。图4.9最终安装效果图4.5系统的调试及参数整定两轮自平衡车系统的各个模块安装完毕后，需要对系统进行调试，以确保能够完成后续的功能实现。调试分为两个阶段，分别是硬件调试与运动调试。在硬件调试过程中，主要是将电池接入电路供电，测量各稳压电路是否稳定输出目标电压，并且启动单片机查看是否能够进入工作状态。在确定单片机处于工作状态后，编写测试软件，对系统的PWM输出、编码器采样、传感器采样进行测试。由于本文参考了大量两轮自平衡车的设计，并且在机械的安装设计中考虑周全，因此没有出现较大的问题。最主要的问题出现倾角测定模块的调试过程中。本文的倾角测定模块包括陀螺仪ENC-03MB与加速度计MMA7361，为了更好地令倾角测定模块采集到车模当前倾斜状态，将模块竖直安装在车模底部，此时模块测量的Z轴与实际的Z轴保持一直，能够更好地进行测量。但是，在实际调试过程中常常出现参数调整效果与预期不符等问题。这是由于理论值与实际值有误差，模块的安装位置与环境也影响实际测量值的取值，因此本文使用虚拟示波器对倾角测定模块的安装位置与程序内参数进行调整。本文通过比较Z轴计算的角度趋势和最终的融合角度趋势，对程序内设定的陀螺仪比例值Gyro_ratio进行调整。这是由于一开始Z轴计算的角度噪声很大，干扰性很强，需要陀螺仪计算融合角度，当融合角度曲线能快速跟踪Z轴计算的角度曲线时，则能够排除环境造成的干扰，解决之前出现的参数调整效果与预期不符等问题，同时不至于超调。平衡车系统通过蓝牙通讯模块将数据发送至PC机，通过虚拟示波器显示，如图4.10所示。图4.10角度跟踪曲线图此时Gyro_ratio为理论值0.2，蓝色线为Z轴计算的角度，紫色线为最终融合的角度。由图可以看出，此时Gyro_ratio过小，最终融合角度曲线跟踪不上Z轴曲线。将参数逐渐增大，最终融合角度曲线则可以逐渐较好地跟踪Z轴曲线，但是如果参数调整得过大，则会出现超调现象，如图4.11所示。图4.11角度跟踪超调图此时需要将参数适当减小，同时调整模块在车模底部的安装位置，最终可使最终融合曲线可快速跟踪Z轴曲线，如图4.12所示。图4.12角度良好跟踪曲线图完成参数整定后，配合控制算法对系统进行实际道路调试。本文的调试环境如图4.13所示，道路采用PVC材料，道路中央设有一根通有100mA的20kHz交变电流的漆包线，车模可通过电磁感应模块识别道路。图4.13调试场地图经过车模硬件的制作并搭配控制算法进行实际调试，车模可保持直立平衡，并且可稳定地沿道路行驶，在行驶过程中可将运行数据发送至上位机进行分析，达到本文的设计要求。4.6本章小结本章主要介绍了两轮直立平衡车的机械与电路的安装。首先对车模进行介绍，基于车模进行材料的选购以及机械结构的设计。然后基于实际情况对各模块所需的硬件设备进行安装，最终组成完成的两轮直立平衡车系统的硬件基础。同时，本文在完成系统搭建后对系统进行各模块调试，对调试过程中出现的最大问题即倾角测定模块的传感器参数整定问题进行了深入研究，最终完成了参数的整定，令车模最终可稳定在道路上运行。5结论与展望5.1结论2018年我国举办了第十一届“恩智浦”智能汽车竞赛，该竞赛为广大本科生提供了一个能够研究并应用自动控制技术的平台，能够在学习与应用中了解自动控制领域的热门技术。本文“基于KEA128的电磁感应平衡车系统硬件电路设计”便是在这个背景下，结合竞赛的要求与实际情况，完成了两轮直立自平衡车的设计与制作。两轮直立平衡车较传统四轮车更为灵活、应用更为广泛，具有重大的研究意义。随着科学技术的不断发展，两轮直立平衡车将会得到更多的重视，针对其的研究会更加深入，应用也会更加广泛。本文以两轮直立平衡车为研究对象，通过对其倒立摆力学模型进行研究，进而深入到其自动控制技术的研究、硬件系统的分析、传感器的选型与机械结构的搭建。本文主要做了以下几个方面的工作：（1）介绍了研究背景与研究意义，阐述了本文研究内容的前沿性与实用性。（2）完成了两轮直立平衡车系统的总体设计，包括系统原理的概述、硬件电路的设计以及机械结构的搭建。（2）对各控制原理中的力学模型进行了深入的分析，主要包括直立控制原理、速度控制原理、方向控制原理和道路识别原理，并以此做出了相应的自动控制方案与硬件电路设计，令硬件电路设计有了理论的支撑。（3）本文针对系统的各项需求设计了硬件电路，并对电路中的元器件进行了深入的分析，选取最适合的元器件型号，以让系统更加稳定、高效地运行。（4）本文以北京科宇通博科技有限公司生产的智能车模型为基础，从零开始搭建平衡车系统。对系统的各项机械设计进行了深入的分析，以尽可能让车体模型更加轻便、结构更加牢固，最终搭建出了完整的两轮直立平衡车系统的硬件部分。5.2展望本文完成了基于S9KEAZ128AMLK单片机的两轮直立平衡车系统的研究与应用，制作了可独立运行于跑道的平衡车，但是由于条件的限制与个人能力的不足，本文仍有不足之处可以加以改进：（1）硬件电路方面。由于个人电路知识有限，仅能实现系统的各项基本功能，对能耗方面仍知之甚少，因此本系统在使用一块满电量的电池的情况下仅能绕20米的道路运行3至五次。未来需要对电路进行优化，以增加本系统的续航能力。（2）机械结构方面。车模在高速运行的情况下会出现轻微的抖动现象，对车模的整体性能有一定的影响。未来需要对重心的分布有更深入的分析，让重心分布得更加均匀，以消除抖动对车模造成的影响。（3）本系统在应对突发状况时未有进行深入分析，如车模因受外力而倒地的情况，目前是通过人力的方式将车模重新立起。未来在设计平衡车的自主性能方面，需要加大研究力度。

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致谢在论文完成之际，首先要感谢我的导师姚远老师，这篇论文是在他的悉心指导下完成的。大学本科四年中，姚远老师与我是亦师亦友的关系，老师渊博的学识与严谨的科研态度使我受益良多。在论文选题方面，老师给予我自主选题的权利，让我能将本题目作为我的毕业论文。在学习方面，老师常常督促我努力学习、积极上进。在生活方面，老师时常关注我未来的计划，让我目光放得更加长远。在此，谨对老师的辛勤培养和关心致以我最真挚的谢意。谨以此文献给所有关心和帮助过我的人们。

附录附件1：攻读本科学位期间发表的论文和专利[1]冯劲,黄海润,一种无线超声波变送器[P].中国专利:ZL201720771508.0,2017-12-26[2]YuanYao,JinFeng.ClusteringAnalysisofFusionSimilarityCalculationandImprovedGeneticAlgorithm[C].ElectricalEngineeringandComputerScience(EECS).UnitedStates,2019.32-38.[3]冯劲,姚远.融合相似度计算与改进遗传算法的聚类分析[J].计算机仿真,2020[4]吴天亮,薛竣文,冯劲,邓凯文,温子颖,苏秉华.基于LabVIEW的激光自动报靶系统设计[J].光学与光电技术,2019,17(03):34-39.

附件2：主控电路原理图

附件3：主控电路PCB图附件4：主控电路实物图

附件5：电磁感应电路原理图

附件6：电磁感应电路PCB图

附件7：电磁感应电路实物图

电脑无法识别U盘该怎么办HYPERLINK电脑无法识别U盘怎么办?打开我的电脑上单击右键，在快捷菜单里，选择“管理”，打开“计算机管理”窗口。在计算机管理窗口里，选择“存储”下面的“磁盘管理”，如果看得到没有盘符的U盘，那么在这个U盘上按鼠标右键，选择“更改驱动器名称和路径”选项，就打开了“更改……的驱动器号和路径”对话框。再点击“更改”按钮，打开“更改驱动器号和路径”的对话框，在“指定以下驱动器号”的右边下拉列表里，选择你希望分配给U盘的驱动器号，尽可能靠后选择，比如X、Y、Z，选择好后，单击确定按钮，回到上一次“更改……的驱动器号和路径”对话框窗口，再一次单击确定，就回到“计算机管理”窗口。至此，如果一切正常，就给U盘单独设置了一个长久使用的驱动器号，并却，不受虚拟驱动器的影响了。建议将U盘插到电脑上，看任务栏中是否显示图标，如果显示，在我的电脑点右键查看属性——高级——硬件——设备管理器——查看里面是否有问号的设备，在问号设备上点右键——更新驱动程序然后下一步——否暂时不连接到网络——下一步自动安装软件（推荐）就可以了另外：系统不认U盘的几种处理方法1.禁用主板usb设备。管理员在CMOS设置里将USB设备禁用，并且设置BIOS密码，这样U盘插到电脑上以后，电脑也不会识别。这种方法有它的局限性，就是不仅禁用了U盘，同时也禁用了其他的usb设备，比如usb鼠标，usb光驱等。所以这种方法管理员一般不会用，除非这台电脑非常重要，值得他舍弃掉整个usb总线的功能。但是这种屏蔽也可以破解，即便设置了密码。整个BIOS设置都存放在CMOS芯片里，而COMS的记忆作用是靠主板上的一个电容供电的。电容的电来源于主板电池，所以，只要把主板电池卸下来，用一根导线将原来装电池的地方正负极短接，瞬间就能清空整个CMOS设置，包括BIOS的密码。随后只需安回电池，自己重新设置一下CMOS，就可以使用usb设备了。（当然，这需要打开机箱，一般众目睽睽之下不大适用~~）2.修改注册表项，禁用usb移动存储设备。打开注册表文件，依次展开"HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\usbehci”双击右面的“Start”键，把编辑窗口中的“数值数据”改为“4”，把基数选择为“十六进制”就可以了。改好后注销一下就可以看见效果了。为了防止别人用相同的方法来破解，我们可以删除或者改名注册表编辑器程序。提示：“Start”这个键是USB设备的工作开关，默认设置为“3”表示手动，“2”是表示自动，“4”是表示停用。3.在computermanagement里将removablestorage的使用权限禁止。computermanagement是一个windows管理组件，可以在控制面板——管理工具——计算机管理打开。在该工具窗口中storage——removablestorage——property中，general项，可以控制系统托盘是否显示security则可以管理移动存储设备的使用权限。在security中将普通用户的使用权限降低，就可以达到禁用u盘的目的。破解的方法也很简单，管理员降低普通用户移动存储设备的使用权限，但未必禁用computermanagement的使用权限。普通用户可以通过这个工具解除usb移动存储设备的使用权限限制。另外，值得一提的是，如果u盘插到电脑上后可以驱动，但是我的电脑里却没有盘符，很有可能是管理员改动了u盘的默认盘符，使得我的电脑不能识别。这种情况，可以在movablestorage中看到u盘驱动器。可以在u盘驱动器属性设置里为u盘重新分配一个盘符，再重新插拔一次u盘，就可以在我的电脑里看到u盘的盘符了。一、首先可以将该U盘换到别的机器上，看使用是否正常。如果排除了硬件损坏的可能，一般就是软件方面有问题。在WindowsXP+SP1操作系统下，有些USB2.0设备的确常常出现工作不稳定的问题，可以试试安装设备自带的USB2.0驱动程序。另外最好不要使用USB延长线，防止因为供电不足而造成不稳定现象。如果仍无效，可以在主板BIOS设定中，将USB接口强行设置为USB1.1传输速率。二、（适用于WIN98）启动计算机，进入主板BIOS设置，检查BIOS中USB的相关选项是否已经打开：OnChipUSB设定为Enabled；USBController设定为Enabled；PNPOSInstalled设定为Yes；AssignIRQForUSB设成Enabled。要正常使用USB设备首先要开启USB接口，在主板BIOS里可以进行此项工作，一般来说只需在BIOS中进入ChipsetFeatures设置，并将USBKeyborad/MouseLegacy选项设定为Enable，就能够保证在操作系统下使用USB键盘了。这些选项的作用是打开主板芯片组对USB设备的完全支持，为系统识别USB设备做准备工作。三、USB口接触不好处理办法：拔下，等十秒钟再插上USB口，使接触完好；五、闪存盘驱动程序没有安装完成(WIN98系统下)处理办法：鼠标点“我的电脑”，选择属性找到“通用串行总线”，删除其中的USBMASSSTORAGE项，再点击“刷新”，然后按照提示重新安装一次驱动程序。六、接其它USB设备(如扫描仪、打印机、数码相机)时可以正常使用，接优盘时闪指示灯不亮，不能够使用。1、检查优盘与电脑的联接是否正常，并换用其它USB接口测试。2、检查设备管理器，看是否出现”通用总线设备控制器”条目，如果没有，请将电脑主板BIOS中USB接口条目*激活(ENABLE)。3、如果电脑安装过其它类型USB设备，卸载该设备驱动程序，并首先安装优盘驱动程序。4、到其它电脑试用此优盘，确认是否优盘不良。七、启动型优盘在的电脑上无法实现启动，可能是主板型号不支持。如何判断一块主板是否支持闪存盘启动系统启动型优盘是采用模拟USB软驱和USB硬盘的方式启动电脑的。只要电脑主板支持USB设备启动，即BIOS的启动选项中有USB-FDD、USB-HDD或是其它类似的选项，就可以使用启动型优盘启动电脑。八、第一次在电脑上使用优盘，未出现提示发现新硬件的窗口，驱动程序无法安装的原因可能是：1、主板usbcontroller未启用解决办法:在电脑主板BIOS中启用此功能。2、usbcontroller已经启用但运行不正常解决办法:在设备管理器中删除”通用串行控制器”下的相关设备并刷新。3、优盘被电脑识别异常，在设备管理器中表现为带有黄色？或！的”其它设备”或“未知设备”。解决办法:删除此设备并刷新。九、大容量的U盘(例如兼具MP3播放器或录音功能的U盘)或移动硬盘在电脑上无法正常使用，虽然系统提示找到了未知的USB设备，但无法正确识别U盘或移动硬盘。原因可能是：1．USB接口供电不足:系统为每个USB接口分配了500mA的最大输出电流，一般的U盘只需要100mA的工作电流，因此在使用过程中不会出现什么问题。大多数移动硬盘所使用的是普通的2.5英寸硬盘，其工作电流介于500mA~1000mA之间，此时假如仅仅通过USB接口供电，当系统中并无其他USB设备时，那么还是可以勉强使用的，但如果电压不稳的话，就随时可能出现供电不足的问题。特别是使用支持USB2.0的移动硬盘时，情况最为严重。另外，如果你的笔记本电脑使用电池供电，那么USB接口所分配的电量就更小了。2．使用了外接的USB扩展卡:在笔记本电脑中使用USB2.0的U盘或移动硬盘时，如果笔记本电脑不支持USB2.0技术，一般必须通过PCMCIA卡转USB2.0的扩展卡来间接实现支持，这些扩展卡基本上都采用NEC公司的D720100AGMUSB控制芯片，少则提供两个USB2.0接口，多则提供五个USB2.0接口，对一般用户而言足够使用了。由于PCMICA接口提供的电源功率比板载USB接口要小，这样就会由于供电不足而导致移动硬盘工作的出现问题。解决方案:1.它从USB连接线上接移动硬盘的一端引出一根转接线，可以插入电脑背后的PS/2接口取电，这里可以比USB接口提供更大的电流输出。2.利用电源补偿线(也称“键盘取电线”)，如果U盘或移动硬盘的包装盒中提供了选配的电源适配器，你就可以直接使用外接电源，这样就可以从根本上避免供电不足的情况发生了前置USB线接错。当主板上的USB线和机箱上的前置USB接口对应相接时把正负接反就会发生这类故障，这也是相当危险的，因为正负接反很可能会使得USB设备烧毁。所以尽量采用机箱后置的USB接口,也少用延长线.也可能是断口有问题,换个USB端口看下.USB接口电压不足。当把<ahref="mobileharddisk">移动硬盘</a>接在前置USB口上时就有可能发生系统无法识别出设备的故障。原因是<ahref="">移动硬盘</a>功率比较大要求电压相对比较严格，前置接口可能无法提供足够的电压，当然劣质的电源也可能会造成这个问题。解决方法是<ahref="">移动硬盘</a>不要接在前置USB接口上，更换劣质低功率的电源或尽量使用外接电源的硬盘盒，假如有条件的话。主板和系统的兼容性问题。呵呵这类故障中最著名的就是NF2主板与USB的兼容性问题。假如你是在NF2的主板上碰到这个问题的话，则可以先安装最新的nForce2专用USB2.0驱动和补丁、最新的主板补丁和操作系统补丁，还是不行的话尝试着刷新一下主板的BIOS一般都能解决。系统或BIOS问题。当你在BIOS或操作系统中禁用了USB时就会发生USB设备无法在系统中识别。解决方法是开启与USB设备相关的选项。就是开机按F2或DEL键,进入BIOS,把enableusbdevice选择enable。拔插要小心,读写时千万不可拔出,不然有可能烧毁芯片。XP中任务栏中多出USB设备的图标，打开该图标就会在列表中显示U盘设备，选择将该设备停用,然后你再拔出设备，这样会比较安全。

其实判断软件硬件问题很简单,在别的机器或换个系统试试就可以了.有些小的问题不妨先用专门软件格式化下.还有提醒大家WINDOWS下格式化时要选择FAT,不要选FAT32。

提示无法识别的USB设备维修

故障提示如图：

无法识别的USB设备：UnknownUSBDevice.很多人都遇到过的一个问题，所谓“无法识别”对于操作系统来说，或者是驱动程度有问题，或者是USB设备出现了问题，或者是计算机与USB设备连接出现了故障，解决问题的方法也是从这几处着手。

对于不同的设备会有不同的处理方法，了解USB设备正常工作需要的条件以及一些可能影响USB设备正常工作的因素，会有助于解决问题。

下面是保证USB设备可以正常工作的一些条件：（1）USB设备本身没有任何问题——可以通过在其它计算机上进行测试，保证能正常工作；（2）USB接口没有任何问题——可以通过连接其它的USB设备在此接口上进行测试；（3）USB设备的驱动程序已经正确安装，如果有详细说明书的USB设备，一定要仔细查看相应的说明文件，按照说明安装相应的驱动程序；Windows2000以后的操作系统以识别大部分的USB设备，Wind