多電源供電的兩輪直立智能車系統(tǒng)設計*

龔亞輝，何秋生，張　森，侯趙磊，楊海旭

(太原科技大學 電子信息工程學院，山西 太原 030024)

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多電源供電的兩輪直立智能車系統(tǒng)設計*

龔亞輝，何秋生，張森，侯趙磊，楊海旭

(太原科技大學 電子信息工程學院，山西 太原 030024)

摘要：設計了兩輪循跡自平衡智能小車系統(tǒng)，并設計太陽能電池和蓄電池聯合供電系統(tǒng)為智能小車供電。系統(tǒng)采用飛思卡爾公司生產的MK60單片機作為控制單元，進行數據的采集，計算和傳送。慣性測量單元采用單軸陀螺儀ENC-03和三軸加速度計MMA7361配合使用，利用線陣CCD實現智能車的循跡功能。該智能車以太陽能板和蓄電池聯合供電以達到節(jié)能減排的目的。整個系統(tǒng)的結構簡單，功能全面，運行穩(wěn)定，節(jié)能環(huán)保。

關鍵詞：MK60單片機；太陽能電池板；ENC-03；MMA7361

隨著科技的發(fā)展，工業(yè)智能化水平越來越高，兩輪自平衡電動車以節(jié)能環(huán)保、靈活便利等諸多優(yōu)點得到廣泛關注和研究。兩輪自平衡小車是一個高階次、強耦合、多變量、不穩(wěn)定的非線性系統(tǒng)[1]。兩輪平衡車系統(tǒng)可以分解為直立、行走、轉彎三方面的控制過程，三者相互糅合達到控制平衡車穩(wěn)定運行的目的。太陽能汽車是以太陽能為能源來驅動系統(tǒng)的汽車。比較傳統(tǒng)能源汽車，太陽能汽車無污染，因而太陽能汽車已成為當今汽車行業(yè)的發(fā)展方向[2]。

本文介紹了一種多電源的兩輪循跡自平衡小車的實現方案。通過陀螺儀和加速度計測得的角度信息互補濾波來跟蹤車體實時傾角，采用線性CCD傳感器檢測路徑信息，測速編碼器測量小車速度。采用經典數字PID算法控制車體的直立、速度和方向。本文針對自平衡硬件平臺實現以及整車電路設計等方面作了深入研究。

1系統(tǒng)整體結構設計

硬件部分主要包括循跡電路、測速電路、電機驅動電路、穩(wěn)壓電路和顯示電路[3]。兩輪平衡車系統(tǒng)結構原理圖如圖1所示。

圖1　智能車系統(tǒng)結構原理圖

系統(tǒng)采用飛思卡爾公司生產的MK60單片機作為控制單元，進行數據的采集，計算和傳送。根據對資料的分析，以及對性價比的衡量，慣性測量單元采用單軸陀螺儀ENC-03和三軸加速度計MMA7361配合使用。兩輪智能車系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2　智能車系統(tǒng)框圖

2硬件系統(tǒng)設計

系統(tǒng)硬件設計包括單片機最小系統(tǒng)模塊、線性CCD模塊、電機驅動模塊、測速模塊、陀螺儀和加速度計模塊、電源模塊等。線性CCD模塊檢測賽道兩邊的黑線，通過陀螺儀和加速度計配合檢測車身姿態(tài)，編碼器檢測車輪速度。系統(tǒng)采用旋轉編碼器e6a2-cw3e作為測速元件，分辨率為200P/R，精度上滿足智能車速度檢測要求[4，5]。

2.1車身傾角檢測模塊設計

對于姿態(tài)檢測系統(tǒng)，檢測電路分為兩部分：陀螺儀信號采集和加速度計信號采集。陀螺儀輸出模擬信號，加速度計輸出脈沖信號。單片機對傳感器輸出信號進行AD采樣，對測量的數據濾波處理并計算姿態(tài)角度，經串口將車體姿態(tài)角度顯示在上位機上，同時由姿態(tài)角信息計算電壓控制量驅動電機實現車體平衡。陀螺儀和加速度計的接口電路如圖3所示。

圖3　陀螺儀和加速度計的接口電路

2.2循跡模塊設計

路徑檢測模塊采用128個線性排列的TSL1401線性CCD傳感器模塊。線性CCD傳感器由眾多的光電器件組成陣列，可將照射到表面的光的強弱轉換成電信號。其成像是一種矩陣掃描過程，當景物光照射到CCD表面時，矩陣高速開關電路逐行逐點地將每點的電信號按順序輸出，因此可以根據接收端接收到反射光線的強弱來判斷是黑線還是白線。兩輪智能車使用兩個線性CCD傳感器進行近瞻與遠瞻相結合的路徑識別策略。單片機根據檢測到的黑線白線信息來實時調整智能車行走方向使智能車能沿著正確路徑行走。圖4是線性CCD接線端口電路。

圖4　線性CCD接線端口電路

2.3電機驅動模塊設計

智能車采用HIP4082作為驅動芯片來驅動直流電機，HIP4082有靈活的輸入協(xié)議，可驅動每種可能的開關組合。同時用戶可以避免直通保護用于開關磁阻電機的驅動。通過IO端口的PWM輸出來控制電機的轉速。一路電機的驅動電路如圖5所示。

圖5　電機的驅動電路

2.4電源模塊設計

電源模塊以7.5 V的鎳鎘電池作為系統(tǒng)總電源，4塊6 V太陽能板并聯為電池充電如圖6(a)所示。太陽能電池組光線充足時最大輸出6 V電壓，光線不足時輸出電壓隨著光線的變弱而變小，充電能力也隨之下降。7.5 V電源電壓接入驅動電路驅動電機工作，然后經圖6(b)所示的降壓電路將電壓降為5 V為最小系統(tǒng)供電。

(a) 充電電路

(b) 降壓電路

3兩輪智能車系統(tǒng)測試結果

兩輪智能車實物圖如圖7所示。經多次測試可以看出兩輪智能車能夠穩(wěn)定地按照設定黑色軌跡運動，能在誤差允許范圍內測得速度并顯示。直行時速度能穩(wěn)定在1.6 m/s；彎道速度能達到1.5 m/s。經過多次試驗發(fā)現智能車CCD攝像頭遠瞻距離100 cm，近瞻距離50 cm進行路徑識別效果最佳，所以通過對CCD攝像頭前瞻角度的調節(jié)使得路徑標識線距離智能車100 cm內被檢測到。

圖7　兩輪自平衡循跡智能車實物圖

4結論

該兩輪直立智能車能穩(wěn)定直立且抗干擾能力強，可以按照預設的軌跡和速度平穩(wěn)行駛。該智能車系統(tǒng)可用于智能代步車以及智能機器人。

參考文獻

[1]王俊，許林，岳東，等.基于CCD的兩輪自平衡智能車系統(tǒng)設計[J].信息技術,2013(8):179-182.

[2]徐開蕓，韋樹成，汪木蘭，等.基于AVR單片機的太陽能智能小車控制系統(tǒng)設計[J].機電產品開發(fā)與創(chuàng)新,2010(1):141-143.

[3]秦勇，閆繼宏，王曉宇，等.兩輪自平衡機器人運動控制研究[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2008(5):721-726.

[4]王良成，楊志民，胡聰聰，等.兩輪自平衡小車的設計與實現[J].實驗室科學,2012(6):52-55.

[5]張啟秋，蔡雄友，葉駿輝，等.兩輪自平衡智能小車控制系統(tǒng)的設計與實現[J].五邑大學學報(自然科學版),2013,27(3):57-60.

The System Design of Two Rounds of Self-balancing Intelligent Vehicle with Multi Power Supply

Gong Yahui, He Qiusheng, Zhang Sen, Hou Zhaolei, Yang Haixu

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,TaiyuanUniversityofScience&Technology,TaiyuanShanxi030024,China)

Abstract:An intelligent vehicle with automatic tracking and self-balancing is designed by this paper. A solar cells and battery power system is designed to supply the vehicle power. The system uses MK60 as the core of CPU to calculate and transmit data which is collected from the sensors. The inertial measurement unit is composed of single-axis gyroscope ENC-03 and three-axis accelerometer MMA7361. Linear CCD is used to make the automatic tracking of intelligent vehicle. The intelligent vehicle uses solar panel to provide power that can achieve the goal of energy conservation and emissions reduction. The system is with simple structure, full function, stable operation, and energy conservation and environmental protection.

Key words:MK60 microcontroller; solar panels; ENC-03; MMA7361

中圖分類號：TP212.9

文獻標識碼：A

文章編號：1674- 4578(2016)01- 0031- 02

作者簡介：龔亞輝(1994- )，男，河南鞏義人，大學本科，研究方向：自動控制。

基金項目：太原科技大學2015年度大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目(No.xj2015043)；2015年山西省高等學校教學改革項目(No.78)

收稿日期：2015-10-27