自平衡電動代步車研制

劉孟卓

摘 要：近年來，代步平衡車逐漸進(jìn)入了人類的視野，由于其結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，得到了很多人的喜愛。所以，該車的研究尤為重要，本論文對車的研究主要分為兩部分，第一部分就是采用了STM32作為主處理器，傾角傳感器進(jìn)行角度測量，通過算法及編程，能夠直立并平衡駕駛。第二部分主要介紹該車的優(yōu)勢及如何控制及平穩(wěn)駕駛。

關(guān)鍵詞：傳感器；算法；控制

一、代步平衡車的直立與平衡駕駛

本車主要采用STM32作為主處理器，該單片機(jī)處理能力較快，可以簡單的處理各種算法，由于其成本低，體積小，應(yīng)用在各個領(lǐng)域，而且本車運(yùn)用到了多種算法，所以與FPGA相比，雖然FPGA處理能力更快，但運(yùn)算能力不強(qiáng)，成本較高，綜上所述，STM32作為主處理器更為合適。

本車主要是通過控制傳感器來實(shí)現(xiàn)它的平衡及駕駛，通過檢測當(dāng)前平衡車的傾斜角度及傾斜速度的快慢，計算出來的數(shù)據(jù)向前或者向后控制車體以實(shí)現(xiàn)平衡的效果。MPU6050作為角度傳感器，他將被測的小信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?dú)自使用陀螺儀或者加速度計都不能使車身保持直立并加速行駛，它不僅易受地磁場的影響，并且具有信號噪聲，與此相比，傾角傳感器測量更為準(zhǔn)確，我們在傾角傳感器測量的基礎(chǔ)上，采用互補(bǔ)濾波，最后通過積分進(jìn)行變換，使之輸出更加平滑。

當(dāng)打開電源時，CPU開始工作，由于電機(jī)沒有轉(zhuǎn)矩，所以保持原地，當(dāng)向前傾斜時，車子加速行駛，如果要減速，只需身體向后傾斜。傾斜角度越大，速度越快，不論是加速還是減速，車體始終保持直立平衡狀態(tài)。

對于車體的直立控制、速度控制和方向控制及平穩(wěn)駕駛，我們都要求準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性及安全性等特點(diǎn)，對我們最熟悉的就是PID算法及卡曼濾波。所以我們通過檢測車體當(dāng)前行駛狀態(tài)下的直立偏差、角度誤差、速度調(diào)節(jié)，然后進(jìn)行比例、積分和微分（即為PID）的調(diào)節(jié)，配合電路中的疊加原理，最終對左右電機(jī)進(jìn)行控制。

二、代步平衡車的優(yōu)勢和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過人眼采集路況實(shí)時信息，并對實(shí)時路況信息進(jìn)行運(yùn)算處理，識別出道路，最終通過車體轉(zhuǎn)向的方式達(dá)到視覺導(dǎo)航。

近年來，國內(nèi)機(jī)器人技術(shù)空前發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，當(dāng)然機(jī)器人所面臨的環(huán)境和所需要執(zhí)行的任務(wù)也是越來越復(fù)雜。特別是在一些人類難以觸碰的危險區(qū)域及狹小地段，機(jī)器人是不二之選。隨著人民生活水平不斷提高，新鮮事物也相繼被發(fā)掘并實(shí)施，所以，一種新的代步工具被提出。

（一）代步平衡車的優(yōu)勢

1、噪音小。與以往的內(nèi)燃機(jī)作為驅(qū)動力相比，電力驅(qū)動行駛相對平緩，震動也相對比較小，結(jié)構(gòu)也相對簡單；2、能源利用率高。以電能為主要消耗。而電能又是通過化學(xué)能轉(zhuǎn)化而來，所以利用率相對于內(nèi)燃機(jī)相對較高；3、占地面積小。代步平衡車主要由輪子及平衡板組成，結(jié)構(gòu)簡單。所以占地面積非常小，從而不用擔(dān)心停車位的問題，而且車子較輕，可以單手提起；4、操作簡單。代步平衡車的行駛主要是改變?nèi)梭w重心。與以往的行駛工具相比，其操作簡單，優(yōu)勢更加明顯；5、0半徑轉(zhuǎn)彎。代步平衡車是獨(dú)立驅(qū)動兩個輪子，所以在轉(zhuǎn)彎時只需控制輪子的轉(zhuǎn)矩，這樣就能實(shí)現(xiàn)0半徑轉(zhuǎn)彎，為乘客提供了很大的方便，與一般電動車相比，代步平衡車應(yīng)用更加廣泛。由于代步平衡車的這些優(yōu)點(diǎn)，而且中國城市交通比較擁擠，在比較狹窄地方，代步平衡車的優(yōu)勢尤為突出。

（二）平衡車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

代步平衡車由一根軸和兩個輪子組成，由直流電機(jī)直接驅(qū)動兩個輪子。所以設(shè)計比較簡單。

通過市場銷售可以看出，本車主要由轉(zhuǎn)向桿，上踏板車輪，底板，車輪構(gòu)成。轉(zhuǎn)向桿可以左右擺動，帶動固定在轉(zhuǎn)向桿軸上的滑動電阻器檢測左右傾角信號并輸出給單片機(jī)，利用加速度計與傾角傳感器相互磨合，通過檢測傾斜角度與傾斜率，通過相應(yīng)的控制算法計算出控制量，驅(qū)動電機(jī)工作，完成自平衡車前身體往前傾或后傾，代步車就會根據(jù)俯仰的方向前進(jìn)或后退，而速度則與駕駛?cè)松眢w傾斜的程度呈正比。代步平衡車的轉(zhuǎn)彎主要是通過人體傾斜角度來控制，不同的傾斜角度對應(yīng)電機(jī)不同的速度差。轉(zhuǎn)向桿上的輔助功能有：電量顯示、轉(zhuǎn)向指示、故障保護(hù)、載重檢測等。人們可以直接看到車身的信息，出行更加安全。

代步平衡車主要有控制模塊，電源模塊，傳感器模塊和輔助模塊這四種功能模塊，每個模塊的設(shè)計都包括硬件和軟件兩部分，硬件為代步平衡車提供結(jié)構(gòu)框架，軟件為其提供編程及算法。它的模塊主要分為4個部分：第一是小車的硬件設(shè)計，良好的硬件設(shè)計可以減少算法的復(fù)雜度，使設(shè)計者減少不必要的麻煩。第二是處理平衡車的平衡性能，這是研究平衡車的核心問題，要求傳感器能實(shí)時檢測到平衡車的傾斜信號，保證小車具有在不同情況下的調(diào)節(jié)能力。第三是單片機(jī)通過傳感器對檢測到信號的處理，這部分主要通過C語言程序來實(shí)現(xiàn)。

三、結(jié)語

經(jīng)過幾個多月的學(xué)習(xí)，我們完成了作品，實(shí)現(xiàn)了它的基本功能.過程中我們各司其職卻又不失配合，成功的解決了程序問題和過程中的其他問題。其中比較有趣的是達(dá)不到想要的結(jié)果時，也不確定到底是哪里出了問題的時候，我們就仔細(xì)的研究各自負(fù)責(zé)的東西，這樣雖然浪費(fèi)了比較多的時間，但是卻使得我們更加了解我們的作品！也感謝老師和學(xué)長的幫助，使我們獲益匪淺！

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