自平衡电动代步车研制

自平衡电动代步车研制摘 要：近年来，代步平衡车逐渐进入了人类的视野，由于其结构简单，占地面积小，得到了很多人的喜爱。所以，该车的研究尤为重要，本论文对车的研究主要分为两部分，第一部分就是采用了 STM32 作为主处理器，倾角传感器进行角度测量，通过算法及编程，能够直立并平衡驾驶。第二部分主要介绍该车的优势及如何控制及平稳驾驶。关键词：传感器；算法；控制 一、代步平衡车的直立与平衡驾驶 本车主要采用 STM32 作为主处理器，该单片机处理能力较快，可以简单的处理各种算法，由于其成本低，体积小，应用在各个领域，而且本车运用到了多种算法，所以与 FPGA 相比，虽然 FPGA 处理能力更快，但运算能力不强，成本较高，综上所述，STM32 作为主处理器更为合适。 本车主要是通过控制传感器来实现它的平衡及驾驶，通过检测当前平衡车的倾斜角度及倾斜速度的快慢，计算出来的数据向前或者向后控制车体以实现平衡的效果。MPU6050 作为角度传感器，他将被测的小信号转变为电信号，但独自使用陀螺仪或者加速度计都不能使车身保持直立并加速行驶，它不仅易受地磁场的影响，并且具有信号噪声，与此相比，倾角传感器测量更为准确，我们在倾角传感器测量的基础上，采用互补滤波，最后通过积分进行变换，使之输出更加平滑。 当打开电源时，CPU 开始工作，由于电机没有转矩，所以保持原地，向前倾斜时，车子加速行驶，如果要减速，只需身体向后倾斜。倾斜角度越大，速度越快，不论是加速还是减速，车体始终保持直立平衡状态。 对于车体的直立控制、速度控制和方向控制及平稳驾驶，我们都要求准确性和稳定性及安全性等特点，对我们最熟悉的就是 PID 算法及卡曼滤波。所以我们通过检测车体当前行驶状态下的直立偏差、角度误差、速度调节，然后进行比例、积分和微分的调节，配合电路中的叠加原理，最终对左右电机进行控制。 二、代步平衡车的优势和系统结构 通过人眼采集路况实时信息，并对实时路况信息进行运算处理，识别出道路，最终通过车体转向的方式达到视觉导航。 近年来，国内机器人技术空前发展，机器人应用的领域也在不断扩大，当然机器人所面临的环境和所需要执行的任务也是越来越复杂。特别是在一些人类难以触碰的危险区域及狭小地段，机器人是不二之选。随着人民生活水平不断提高，新鲜事物也相继被发掘并实施，所以，一种新的代步工具被提出。 代步平衡车的优势 1、噪音小。与以往的内燃机作为驱动力相比，电力驱动行驶相对平缓，震动也相对比较小，结构也相对简单；2、能源利用率高。以电能为主要消耗。而电能又是通过化学能转化而来，所以利用率相对于内燃机相对较高；3、占地面积小。代步平衡车主要由轮子及平衡板组成，结构简单。所以占地面积非常小，从而不用担心停车位的问题，而且车子较轻，可以单手提起；4、操作简单。代步平衡车的行驶主要是改变人体重心。与以往的行驶工具相比，其操作简单，优势更加明显；5、0 半径转弯。代步平衡车是独立驱动两个轮子，所以在转弯时只需控制轮子的转矩，这样就能实现 0 半径转弯，为乘客提供了很大的方便，与一般电动车相比，代步平衡车应用更加广泛。由于代步平衡车的这些优点，而且中国城市交通比较拥挤，在比较狭窄地方，代步平衡车的优势尤为突出。 平衡车系统结构 代步平衡车由一根轴和两个轮子组成，由直流电机直接驱动两个轮子。所以设计比较简单。 通过市场销售可以看出，本车主要由转向杆，上踏板车轮，底板，车轮构成。转向杆可以左右摆动，带动固定在转向杆轴上的滑动电阻器检测左右倾角信号并输出给单片机，利用加速度计与倾角传感器相互磨合，通过检测倾斜角度与倾斜率，通过相应的控制算法计算出控制量，驱动电机工作，完成自平衡车前身体往前倾或后倾，代步车就会根据俯仰的方向前进或后退，而速度则与驾驶人身体倾斜的程度呈正比。代步平衡车的转弯主要是通过人体倾斜角度来控制，不同的倾斜角度对应电机不同的速度差。转向杆上的辅助功能有：电量显示、转向指示、故障保护、载重检测等。人们可以直接看到车身的信息，出行更加安全。 代步平衡车主要有控制模块，电源模块，传感器模块和辅助模块这四种功能模块，每个模块的设计都包括硬件和软件两部分，硬件为代步平衡车提供结构框架，软件为其提供编程及算法。它的模块主要分为 4 个部分：第一是小车的硬件设计，良好的硬件设计可以减少算法的复杂度，使设计者减少不必要的麻烦。第二是处理平衡车的平衡性能，这是研究平衡车的核心问题，要求传感器能实时检测到平衡车的倾斜信号，保证小车具有在不同情况下的调节能力。第三是单片机通过传感器对检测到信号的处理，这部分主要通过 C 语言程序来实现。 三、结语 经过几个多月的学习，我们完成了作品，实现了它的基本功能.过程中我们各司其职却又不失配合，成功的解决了程序问题和过程中的其他问题。其中比较有趣的是达不到想要的结果时，也不确定到底是哪里出了问题的时候，我们就仔细的研究各自负责的东西，这样虽然浪费了比较多的时间，但是却使得我们更加了解我们的作品！也感谢老师和学长的帮助，使我们获益匪浅！