兩輪電動(dòng)平衡車(chē)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)詳解 —電路圖天天讀（174）

　　在國(guó)外，兩輪載人平衡車(chē)早已被用于一些公共場(chǎng)合了，如今很多機(jī)場(chǎng)、火車(chē)站、汽車(chē)站等公共場(chǎng)所都運(yùn)用了兩輪載人平衡車(chē)。研究?jī)奢喥胶廛?chē)小車(chē)有利于研究?jī)奢嗇d人平衡車(chē)。本作品主要由一塊IAP15F2K61S2單片機(jī)開(kāi)發(fā)板做主控板，一個(gè)電源和傳感器模塊來(lái)采集角度數(shù)據(jù)并為系統(tǒng)供電，一個(gè)測(cè)速模塊來(lái)測(cè)得電機(jī)的速度信息，最后把角度信息轉(zhuǎn)化成PWM輸出給一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制兩個(gè)空心杯電機(jī)。

　　本設(shè)計(jì)是基于IAP15F2K61S2單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的兩輪平衡車(chē)，采用IAP15F2K61S2單片機(jī)開(kāi)發(fā)板做主控板，用MPU6050 陀螺儀和加速度傳感器采集加速度和角速度，通過(guò)計(jì)算得出角度以確定小車(chē)姿態(tài)，再通過(guò)光電門(mén)傳感器測(cè)出小車(chē)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以計(jì)算出車(chē)速，運(yùn)用PID算法再根據(jù)傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)處理后對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行PWM輸出，調(diào)節(jié)合適的PID參數(shù)使小車(chē)能穩(wěn)定直立起來(lái)。

　　本作品使用簡(jiǎn)單，打開(kāi)總開(kāi)關(guān)小車(chē)即可直立。兩輪載人平衡車(chē)在一些公共場(chǎng)合有一定的優(yōu)勢(shì)，研究?jī)奢喥胶庑≤?chē)對(duì)開(kāi)發(fā)兩輪載人平衡車(chē)有一定的幫助，本作品具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰，使用方便等特點(diǎn)。

　　設(shè)計(jì)特色：

　　小車(chē)底盤(pán)是我們用游標(biāo)卡尺量出電機(jī)支架的孔徑和位置，用Altium Designer 軟件畫(huà)出底盤(pán)模型，再用雕刻機(jī)和亞克力板雕刻出底盤(pán)。車(chē)上面?zhèn)鞲衅髂K和電池盒的安裝具有對(duì)稱(chēng)性，使小車(chē)重心在電機(jī)上方，傳感器安裝比電機(jī)稍微高點(diǎn)，大概在重心處，這樣有助于小車(chē)的平衡和穩(wěn)定性。在算法上我們采用精簡(jiǎn)PID算法和卡爾曼濾波算法來(lái)控制電機(jī)，使系統(tǒng)更穩(wěn)定可靠。

　　平臺(tái)選型說(shuō)明：

　 　本系統(tǒng)采用IAP15F2K61S2單片機(jī)開(kāi)發(fā)板做主控板，IAP15F2K60S2是1T的8051單片機(jī)。是真正意義上的單片微機(jī)，寬工作電壓，不 需要外部復(fù)位電路和外部晶振，內(nèi)部晶振5—33.1776M可選。片上外設(shè)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(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，雙串口，高速串行通信ISP接口，大容量片內(nèi)EEPROM。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用LM298N，測(cè)速采用透射式光電門(mén)，信號(hào)經(jīng)反向器輸 出穩(wěn)定脈沖，電機(jī)采用空心杯，頻率可達(dá)十幾千赫茲。

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　　IAP15F2K61S2單片機(jī)開(kāi)發(fā)板原理圖

　　本作品用到IAP15F2K61S2單片機(jī)的內(nèi)部資源有定時(shí)器1、定時(shí)器2、串口1、ADC、外部中斷0、外部中斷1、PWM等這些資源。定時(shí)器1以10ms的周期處理數(shù)據(jù)，定時(shí)器2作為串口1的波特率發(fā)生器，串口1用于調(diào)試時(shí)與上位機(jī)軟件通訊，ADC是采集電位器可調(diào)端的電壓用于調(diào)試 PID參數(shù)，外部中斷0、1用于計(jì)數(shù)測(cè)速模塊的脈沖，PWM作為使能電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)。

　　MPU6050模塊和電源模塊原理圖

　　MPU6050采用IIC通訊傳輸數(shù)據(jù)，電源模塊采用LM7805(＄0.2053)做穩(wěn)壓芯片給單片機(jī)和傳感器供電。

　　測(cè)速和電機(jī)轉(zhuǎn)接模塊

　　每個(gè)電機(jī)尾部都有兩個(gè)光電門(mén)用以測(cè)速，光電門(mén)輸出信號(hào)經(jīng)反向器輸出后更穩(wěn)定可靠。電機(jī)接線用轉(zhuǎn)接板轉(zhuǎn)接有利于保護(hù)電機(jī)接線。

　　keep out層畫(huà)邊框、頂層畫(huà)輔助線，用雕刻機(jī)先打孔再割邊。

　　設(shè)計(jì)說(shuō)明：

　　本設(shè)計(jì)在IAP15F2K61S2單片機(jī)開(kāi)發(fā)板的基礎(chǔ)上，利用陀螺儀和加速度傳感器以周期為10ms測(cè)出角度信息，經(jīng)卡爾曼濾波算法濾波處理后再經(jīng)PD算法處理輸出，測(cè)速模塊以周期為100ms測(cè)出速度信息，在經(jīng)互補(bǔ)濾波算法濾波后再經(jīng)PI算法處理輸出，將角度環(huán)的輸出量與速度環(huán)的輸出量融合作為PWM的設(shè)定值對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸入從而控制電機(jī)。