双轮自平衡小车设计

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1、双轮自平衡小车设计　　摘要：该文介绍了双轮平衡小车系统设计与实现。系统以STC15F2K60S2单片机作为核心控制器，用MPU-6050陀螺仪检测小车行驶姿态和重力加速度采集，对实时检测采集的数据通过PID算法输出改变PWM脉冲，控制L298N驱动直流电机，通过设计实践，完成软件、硬件设计制作，实现了双轮小车自平衡行驶控制，达到了预期设计目标。　　关键词：双轮平衡小车STC15F2K60S2PID算法PWM　　中图分类号：TP242.3文献标识码：A文章编号：1672-3791（2016）07（b）-0031-02　　随

2、着社会经济的发展，人民生活水平的提高，越来越多的小汽车走进了寻常百姓家。汽车快捷方便、省时省力、现代化程度高、种类繁多的个性化设计满足了不同人的需求。然而，汽车作为传统的陆路交通工具也存在不少的弊端，它体积大、重量大、污染大、噪声大、耗油大、技术复杂、价格贵、停放困难，效能不高，容易造成交通拥堵并带来安全隐患。两轮自平衡车运动灵活、智能控制、操作简便，适合单人使用且适用范围广，增加了人们对外出活动的兴趣，减少人们的运动强度，解决了人们时间不充足的问题。　　1系统总体结构5　　（1）两轮自平衡小车状态分析：两轮自平衡小车共

3、分为前倾状态、静止状态和后仰状态。前倾状态：即车身重心靠前，车身会向前倾斜，则驱动车轮向前滚动，以保持小车平衡。静止状态：即车身重心位于电机轴心线的正上方，则小车将保持动态平衡静止状态，不需要做任何控制。后仰状态：即车身重心靠后，车身会向后倾斜，则驱动车轮向后滚动，以保持小车平衡。　　两轮自平衡小车平衡控制的基本思想是：是系统以姿态传感器（陀螺仪、加速度计）来监测车身所处的俯仰状态和状态变化率，通过高速中央处理器计算出适当数据和指令后，控制系统会根据测得的倾角产生一个相应的力矩，通过控制电机驱动两个车轮朝车身要倒下的方向

4、运动，以保持小车自身的动态平衡。　　（2）硬件电路结构：该系统要实现双轮小车驱动、自平衡设计，必定要以单片机为核心构成智能控制系统，采用专用芯片驱动直流无刷电机，用陀螺仪实时检测小车姿态和加速度，并实时进行PID控制调节，输出PWM控制直流电机，系统结构如图1所示。　　2硬件电路设计　　按照图1电路结构，单片机选用STC15F2K60S2作为控制器；直流电机驱动采用L298N电机驱动板模块，电源由两节工业电池18650直接提供，单片机的P2.0～P2.3接L298N的A+、B+、A-、B-；陀螺仪采用MPU-6050模块

5、，用单片机的P3.5、P3.6接收陀螺仪检测的信号；电机采用（6V/150转）N20减速电机，带D字轴橡胶轮胎和支架；电源采用工业电池18650，+5V电源由MAS1117-5.0V稳压后输出。　　3软件设计与算法实现　　3.1软件系统结构5　　系统要实现双轮小车自平衡设计，重点需要实时检测小车行驶姿态、加速度和阐述PWM脉冲信号输出控制直流电机。因此，软件系统采用主从结构，主程序负责顺序调度执行各个功能模块子程序。各个模块子程序分为系统初始化、陀螺仪数据采集、PID运算处理、PWM脉冲产生。　　3.2陀螺仪数据采集　　

6、陀螺仪是通过I2C总线接口硬件模块，内部的重力加速度寄存器能记录下当前小车的状态，通过I2C总线通信访问寄存器，就可读取这些信息到单片机，单片机采用PID处理数据形成电机控制调节信号。　　采用I2C总线读写陀螺仪寄存器数据时，单片机先要发出器件地址，然后发出陀螺仪的寄存器地址，指明要访问哪个寄存器，在收到成功应答后，才能开始读出陀螺仪寄存器的内容，具体I2C总线通信资料很多，请参考相关资料。　　3.3PID算法实现　　PID及其衍生算法在工业应用中应用广泛，PID控制算法是最简单，最能体现反馈思想的控制算法。对于初学者来

7、讲，应该是足够应对简单的研发问题，在所接触的控制算法当中，PID控制算法最能体现反馈思想的控制算法，可谓经典中的经典。PID算法公式如下：5　　PID算法运用控制时，采用闭环控制环节实现直流电机调速控制，用rin（t）输入量设置陀螺仪预定值，陀螺仪传感器检测当前小车状态，用rout（t）输出量输出陀螺仪检测到的实际值，由执行器控制直流电机，直流电机采用PWM调速。通过给定陀螺仪预定值和陀螺仪测定的实际值的偏差进行比例、积分、微分运算再通过PWM调节输出给电机，陀螺仪再采集重力加速度反馈回去（其中输入量为rin（t），输出

8、量为rout（t），偏差量为err（t）=rin（t）-rout（t））。　　PID运算是该系统的灵魂，PID运算调节小车使其平衡。PID运算通过对重力加速度的给定值与重力加速度的偏差进行比例、积分、微分运算输出运算结果。在PID控制中，引入积分环节的目的，主要是为了消除静差，提高控制精度。但是在启动、结束或大幅度增