教你用單片機系統開發兩輪平衡車

2021-02-24 電子發燒友網

在國外，兩輪載人平衡車早已被用於一些公共場合了，如今很多機場、火車站、汽車站等公共場所都運用了兩輪載人平衡車。研究兩輪平衡車小車有利於研究兩輪載人平衡車。

本作品主要由一塊IAP15F2K61S2單片機開發板做主控板，一個電源和傳感器模塊來採集角度數據並為系統供電，一個測速模塊來測得電機的速度信息，最後把角度信息轉化成PWM輸出給一個電機驅動模塊來控制兩個空心杯電機。

本設計是基於IAP15F2K61S2單片機系統開發的兩輪平衡車，採用IAP15F2K61S2單片機開發板做主控板，用MPU6050 陀螺儀和加速度傳感器採集加速度和角速度，通過計算得出角度以確定小車姿態，再通過光電門傳感器測出小車電機轉速，以計算出車速，運用PID算法再根據傳感器測得數據處理後對電機驅動進行PWM輸出，調節合適的PID參數使小車能穩定直立起來。

本作品使用簡單，打開總開關小車即可直立。兩輪載人平衡車在一些公共場合有一定的優勢，研究兩輪平衡小車對開發兩輪載人平衡車有一定的幫助，本作品具有結構簡單清晰，使用方便等特點。

設計特色：


小車底盤是我們用遊標卡尺量出電機支架的孔徑和位置，用Altium Designer 軟體畫出底盤模型，再用雕刻機和亞克力板雕刻出底盤。車上面傳感器模塊和電池盒的安裝具有對稱性，使小車重心在電機上方，傳感器安裝比電機稍微高點，大概在重心處，這樣有助於小車的平衡和穩定性。在算法上我們採用精簡PID算法和卡爾曼濾波算法來控制電機，使系統更穩定可靠。

平臺選型說明：


本系統採用IAP15F2K61S2單片機開發板做主控板，IAP15F2K60S2是1T的8051單片機。是真正意義上的單片微機，寬工作電壓，不 需要外部復位電路和外部晶振，內部晶振5—33.1776M可選。片上外設豐富，具有3通道捕獲\比較單元（CCP/PCA/PWM），8通道10位高速 AD，3個定時器/計數器，雙串口，高速串行通信ISP接口，大容量片內EEPROM。電機驅動採用LM298N，測速採用透射式光電門，信號經反向器輸 出穩定脈衝，電機採用空心杯，頻率可達十幾千赫茲。

本作品用到IAP15F2K61S2單片機的內部資源有定時器1、定時器2、串口1、ADC、外部中斷0、外部中斷1、PWM等這些資源。定時器1以10ms的周期處理數據，定時器2作為串口1的波特率發生器，串口1用於調試時與上位機軟體通訊，ADC是採集電位器可調端的電壓用於調試 PID參數，外部中斷0、1用於計數測速模塊的脈衝，PWM作為使能電機驅動輸入信號。

MPU6050採用IIC通訊傳輸數據，電源模塊採用LM7805（＄0.2053）做穩壓晶片給單片機和傳感器供電。

每個電機尾部都有兩個光電門用以測速，光電門輸出信號經反向器輸出後更穩定可靠。電機接線用轉接板轉接有利於保護電機接線。

keep out層畫邊框、頂層畫輔助線，用雕刻機先打孔再割邊。


設計說明：

本設計在IAP15F2K61S2單片機開發板的基礎上，利用陀螺儀和加速度傳感器以周期為10ms測出角度信息，經卡爾曼濾波算法濾波處理後再經PD算法處理輸出，測速模塊以周期為100ms測出速度信息，在經互補濾波算法濾波後再經PI算法處理輸出，將角度環的輸出量與速度環的輸出量融合作為PWM的設定值對電機驅動輸入從而控制電機。

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