[知网论文查重摘要]

随着国民收入的不断提高，汽车进入千家万户，使得人们出行、运输方便、快捷，但也造成环境污染、道路拥挤等负面影响，所以亟待去探求环保便捷交通工具。同时科学技术的迅猛发展，众多智能设备被开发出来并投入运行，极大提高了工厂的生产效率，智能机器人也越来越备受关注，平衡小车被看作机器人研究的理想实验平台。本设计选用增强型8051内核的STC15W4K32S4作为主控芯片，采用MPU6050作为姿态传感器，来采集车体的角度和角速度，通过互补滤波进行数据融合，得到优化的倾斜角度值。采用霍尔元件组成的测速电路，在切割磁场时就记录脉冲，通过计算就能测得小车的速度值。数据采集完成后，通过PID控制算法调整PWM信号的占空比和以TB6612FNG为核心的驱动电路，来控制直流电机的转速和转向，从而实现小车在平衡状态下的前进后退和左右转向。按键输入和液晶显示器构成人机交互模块，四个按键分别对PID参数进行选择、增加、减少及确定，同时通过液晶LCD1602将参数调节情况显示出来。

1  引    言

1.1 研究背景与意义

自20世纪80年代以来，在日本、美国、瑞士等国，双轮自平衡车就得到广泛的研究。研究人员提出众多控制平衡的方案，制造出多个两轮平衡车实物，这在理论上对原设定的运动性能和特性进行了验证。通过对不断优化地平衡控制系统，都可在众多场合中得到快速方便地应用，如代步、运输等。Segway早已将平衡车商业化销售，巨大的商机蕴藏在其中。

随着人口、资源、环境压力的增加，也引发人们对新型交通工具的探索。双轮自平衡小车因其结构简单、转向灵活等特点，能在狭窄空间中行驶自如，对变化的地形适应性强，引起新一轮新型实用代步工具的潮流。双轮自平衡小车作为倒立摆的经典模型，是验证控制理论和力学理论的理想实验平台，为科学理论的发展起到了指导作用，有着巨大的研究价值。

1.2 研究现状与发展趋势

最早提出双轮平衡车概念的，是日本电气通讯大学山藤高桥教授。1986年他设计出了能够自主站立的双轮平衡车，在车身的最上端放置电机和主控板，通过多个传感器来检测车身倾角。它只能行驶在固定轨道上，同时不能转向，是平衡车概念最早的实践。

美国发明家Dean Kamen于1999年开始设计Segway,并创立了Segway公司，于2002年开始商业化销售两轮自平衡电动车。Segway使用了2个加速度计和5个陀螺仪，来采集驾驶者重心的变化，使车轮前进、后退来实现平衡。Segway作为代步工具，开创了载人平衡车的历史。

中国科学技术大学于2003年制作出双轮自平衡电动车Free Mover^[1]。在三维坐标系下通过力学分析，基于模糊自适应控制原理，有效解决了非线性控制与角度平滑处理等问题。驾驶者通过控制杆操作Free Mover，能够实现零半径转弯，可以在狭小空间灵活移动。同样，Free Mover也是感受人重心的偏移来自动加、减速实现车身动态平衡。

1.3 尚待研究的问题

双轮自平衡车是多变量、非线性、不稳定系统，设计的难点就在于如何实现平衡的控制，因此尚待研究和解决的问题也很多。第一，如何实现小车在复杂环境下的平衡和运动，例如上、下坡和不平坦路面；第二，如何实现小车测距、自动避障和紧急情况下的立即制停；第三，如何设计重心高度可变的两轮平衡机器人，同时两轮也可自由改变高度，这贴近仿生学的实际情况；第四，如何采集到更精确的倾角、研究出更优的滤波以及自动控制算法，来得到几乎完全吻合车模真实角度的数值。

1.4 研究的主要内容

（1）通过查阅各类参考文献，了解自平衡小车的发展历程和总结前人各种小车平衡方案和成功经验，综合比较后确定本设计选用的小车数学模型、各个单元模块的元器件、系统整体框架。

（2）建立平衡小车在平整路面上的数学模型，分析小车平衡直立的原因以及如何实现小车的动态平衡。阅读各个芯片的使用数据手册，知道各个芯片不同引脚的功能及其与其他元件的接法。

（3）硬件上利用protel软件画出小车的原理图，将整体框图细化成各个功能模块，分别搭建每个功能模块的硬件电路；软件上利用keil软件编写程序，学习I²C通信、PID控制算法、PWM原理。

（4）通过实验来测定加速度计、陀螺仪的零点偏移值、陀螺仪的比例因子以及P、I、D各个增益参数大小，观察小车的平衡状况，反复调试，最终实现小车的稳定直立和简单行走。

2  方案设计与论证

2.1 元器件选型

    2.1.1 主控芯片选型

方案一：采用stm32作为MCU。stm32f103VE采用Cortex-M3内核，基于32位ARMv7架构，支持Thunb-2指令集，具有3级流水线，运行性能比16位架构高出一倍。虽然stm32f103VE的可开发性很广，但stm32系列的经济成本较高，相对于C编程，其编程难度较大。

方案二：采用stc15作为MCU。STC15W4K32S4是宏晶公司生产的增强型8051内核的单片机。工作电压2.5到5.5V，有6路硬件PWM,7个定时器，4组串口，8路高速10位ADC,最大有61k程序Flash和4kSRAM,内部集成了时钟和复位电路。根据比较，最终选方案二。

    2.1.2 姿态传感器选型

方案一：使用MMA7260和MMA7260自行组合。加速度计MMA7260低功耗、稳定性高，用来检测角度；陀螺仪ENC-03用来检测角速度，将产生的偏移转换成电流，然后再调整位移，以达到产品稳定。以上是“飞思卡尔”竞赛中常用的组合，但操作者需要搭建电路组合，而且分立元件，体积较大。

方案二：采用MPU6050模块作为姿态检测模块。MPU-6050内部集成了3轴加速度计和3轴陀螺仪，内置的DMP可直接输出四元素，不需要MCU再去大量计算。相对于其他方案来说，避免了组合陀螺仪和加速度计时的轴间偏差，减小了占用的空间，而且此模块价格便宜。综上所述，选方案二。

    2.1.3 电机驱动选型

方案一：电机驱动芯片选用L298N。L298N驱动部分端子供电电压范围：+5到+35V，逻辑部分端子供电电压范围：+5到7V。L298双H桥直流电机驱动模块，含控制方向指示灯、逻辑部分板内取电接口，具有比较高的性价比。

方案二：电机驱动芯片选用TB6612FNG。最大工作电压高达15V，平均工作电流可达1.2A，瞬时最大电流可以达到3.2A，而且PWM控制频率可高达100KHz。相对于L298N来说，TB6612FNG的驱动电流更大，效率高、发热量小，而且占用体积小。综合比较，选方案二。