【導(dǎo)讀】在一些場(chǎng)所經(jīng)常會(huì)看到一種平衡電動(dòng)車的代步工具，被稱為最后一公里神器。其實(shí)它的工作原理非常簡(jiǎn)單，建立在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定原理上，同樣也是車輛自動(dòng)平衡能力。下面就詳細(xì)介紹自平衡電動(dòng)車的的工作原理及詳細(xì)設(shè)計(jì)流程。
文中分析了測(cè)量角度和角速度傳感器的選擇，通過Atmega16單片機(jī)多路信號(hào)AD采集陀螺儀和加速度計(jì)的信號(hào)，經(jīng)過Kalman濾波算法計(jì)算動(dòng)態(tài)的角度和角速度，通過LCD1602顯示角速度和角度的值、轉(zhuǎn)向值。利用PID控制算法控制自平衡車的平衡狀態(tài)，使車體在平衡位置穩(wěn)定。利用大功率MOS管設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，通過單片機(jī)有效地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電機(jī)的轉(zhuǎn)向，從而有效地控制自平衡車的前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)彎功能。
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
兩輪自平衡自動(dòng)車采用AVR Atmega16芯片作為主控制芯片，選擇外部16 MHz晶振，使用JTAG仿真器進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真與調(diào)試；采用LCD1602顯示轉(zhuǎn)彎角度傳感器測(cè)量的動(dòng)態(tài)角度和角速度，為了讓調(diào)試的過程中更加直觀。動(dòng)態(tài)角度和角速度的測(cè)量通過陀螺儀測(cè)量角速度，三軸加速度計(jì)測(cè)量角度。由于平衡車是運(yùn)動(dòng)的，所以三軸加速度計(jì)測(cè)量的角度里面參雜動(dòng)態(tài)角度，最終通過卡爾曼硬件融合電路精確地測(cè)量出動(dòng)態(tài)的角度和角速度。
轉(zhuǎn)向模塊采用高精度電位器，當(dāng)手把向右偏轉(zhuǎn)時(shí)，兩輪車向右轉(zhuǎn)，當(dāng)手把向左偏轉(zhuǎn)時(shí)兩輪自平衡車向左轉(zhuǎn)彎，可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。電機(jī)采用直流減速電機(jī)，主要是因?yàn)橹绷鳒p速電機(jī)能耗低、性能優(yōu)越、減速機(jī)效率高達(dá)95%以上，而且振動(dòng)小、噪音低、節(jié)能高、選用優(yōu)質(zhì)段鋼材料，鋼性鑄鐵箱體，齒輪表面經(jīng)過高頻熱處理。節(jié)省空間，可靠耐用，承受過載能力高，經(jīng)過精密加工，確保定位精度，扭矩大。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用大功率MOS管，由于電機(jī)的功率大，需要的電流大。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過PID控制算法，實(shí)現(xiàn)兩輪車的自平衡狀態(tài)。系統(tǒng)簡(jiǎn)易硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)簡(jiǎn)易硬件結(jié)構(gòu)框圖
車模直立控制方案
兩輪白平衡車的直立是通過負(fù)反饋來實(shí)現(xiàn)的，但是兩輪自平衡車的直立相對(duì)木棒的直立是相對(duì)簡(jiǎn)單的，木棒的直立是二維的而自平衡車有兩個(gè)輪子著地且直立是一維的。所以通過控制輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)，抵消傾斜的趨勢(shì)便可以很好地保持車體直立。兩輪自平衡車模型如圖2所示。
圖2 兩輪自平衡車模型圖
兩輪自平衡車之所以在不加外力的情況下不能夠直立，是因?yàn)檐圀w的偏轉(zhuǎn)方向和受力方向是在同一方向，所以車體會(huì)加速倒下，如果要車體直立不倒下那就需要添加外力作用才能夠保持平衡狀態(tài)，這個(gè)外力就是車輪對(duì)地的摩擦力。由于電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)給地面一個(gè)摩擦力，根據(jù)牛頓第三定律，地面給車體一個(gè)與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反的作用力，這樣才會(huì)不至于讓車體加速倒下。
圖3 受力分析圖
兩輪自平衡車的受力分析：
車模行走控制方案
兩輪自平衡車的速度是通過車輪的速度實(shí)現(xiàn)的。車輪的速度通過直流電機(jī)經(jīng)過減速箱，增大扭矩。利用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和PWM調(diào)速系統(tǒng)控制兩輪自平衡車的平穩(wěn)運(yùn)行。然后通過電機(jī)的加速度控制車體的平衡，通過電機(jī)的恒定速度和靜止?fàn)顟B(tài)控制車體的勻速運(yùn)動(dòng)和靜止?fàn)顟B(tài)。
在運(yùn)行的過程中當(dāng)人體的傾角增大時(shí)車輪的加速隨之增大以控制車體的平衡，當(dāng)車體恢復(fù)平衡時(shí)，以恒定的速度勻速前進(jìn)。
當(dāng)轉(zhuǎn)把轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位功能，在轉(zhuǎn)把的軸徑方向安裝一個(gè)大強(qiáng)度的彈簧，使轉(zhuǎn)把在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中自動(dòng)恢復(fù)原位，實(shí)現(xiàn)了靈活轉(zhuǎn)彎的效果，如果轉(zhuǎn)把的偏向角足夠大可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎，使兩輪車的運(yùn)行更加靈活，方便在狹小的地方使用。轉(zhuǎn)把示意圖如圖4所示。
圖4 轉(zhuǎn)把示意圖
轉(zhuǎn)把的方向和偏向角是通過高精度電位器檢測(cè)的，在轉(zhuǎn)把的固定軸上安裝個(gè)角度傳感器，實(shí)現(xiàn)角度的測(cè)量。程序流程圖
為了便于程序的開發(fā)和以后的使用與維護(hù)，全部程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，即由一個(gè)主程序和若干個(gè)子程序模塊構(gòu)成。主程序首先完成初始化工作，包括定時(shí)器初始化、LCD16 02液晶模塊初始化、定時(shí)器中斷初始化、系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、其他參數(shù)的初始化等。然后啟動(dòng)定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)，開中斷允許單片機(jī)響應(yīng)內(nèi)部中斷請(qǐng)求。定時(shí)器中斷流程圖如圖6所示。各程序功能模塊包括LCD1602液晶顯示、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)角度測(cè)量、轉(zhuǎn)向、欠壓報(bào)警等。主程序流程圖如圖5所示。
圖5 主程序流程圖
圖6 定時(shí)器中斷流程圖
整個(gè)系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)。軟件系統(tǒng)包括：主程序負(fù)責(zé)顯示。車體直立模塊用定時(shí)器1中斷完成，每進(jìn)入一次中斷完成一次PID算法控制車體平衡，在車體保持平衡狀態(tài)的情況下通過采集轉(zhuǎn)把數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎功能。相關(guān)閱讀：
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