双轮自平衡小车设计

【前言】双轮自平衡小车设计由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。（1）两轮自平衡小车状态分析：两轮自平衡小车共分为前倾状态、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...

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 STC15F2K60S2 PID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

（1）两轮自平衡小车状态分析：两轮自平衡小车共分为前倾状态、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，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，+5 V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

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

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。

3.3 PID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：

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、结束或大幅度增减设定时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成PID运算的积分积累，导致控制量超过执行机构可能允许的最大动作范围对应极限控制量，从而引起较大的超调，甚至是震荡。为了克服这一问题，引入了积分分离的概念，其基本思路是：当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以消除静差，提高精度。

3.4 PWM脉冲输出

单片机通过产生正确的PWM脉冲信号，调节PWM占空比来实现对电机的控制。具体实现时，单片机对给定的占空比进行数据转换，如果当前输出为“1”电平时，将高电平时间预置给定时器，当定时时间到产生中断，对输出信号取反；如果当前输出为“0”电平时，将低电平时间预置给定时器，当定时时间到产生中断，对输出信号取反……。如此实现对PWM脉冲信号占空比进行调节控制电机转速，只要改变占空比就可以控制电机转速。

4 结语

该文重点介绍了双轮小车的自平衡控制，提供小车控制电路原理图，给出了软件系统结构设计和模块化设计基本方法思想。使用STC单片机为控制核心，采用陀螺仪检测信号、PID算法数据处理、PWM输出控制电机，解决了小车平衡行驶控制问题。经过实验制作和软/硬件综合调试，实现了智能小车自平衡行驶控制，具有较好的应用价值。

参考文献

[1] 朱兆优，陈坚，邓文娟.单片机原理与应用-基于STC系列增强型80C51单片机[M].2版.北京：电子工业出版社，2012.

[2] 夏德钤，翁贻方.自动控制理论[M].4版.北京：机械工业出版社，2013.

[3] 赵广元.MATLAB与控制系统仿真实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.