双轮直立自平衡机器人Sway研究报告

双轮直立自平衡机器人Sway研究报告

本设计采用两块Cygnal公司推出的C8051F005单片机分别作为“双轮直立自平衡机器人”（以下命名为Sway）和人机交互上位机的控制核心。车体倾斜角度检测采用AD公司推出的双轴加速度传感器ADXL202及反射式红外线距离传感器。利用PWM技术动态控制两台直流电机的转速。上位机与机器人间的数据通信采用迅通生产的PTR2000超小型超低功耗高速无线收发数传MODEM。人机交互界面采用240*128图形液晶点阵、方向摇杆及按键。基于这些完备而可靠的硬件设计，使用了一套独特的软件算法，实现了Sway的平衡控制与

数据交换。

“双轮直立自平衡机器人Sway研究报告

作者：哈尔滨工程大学尹亮

摘要

本设计采用两块Cygnal公司推出的C8051F005单片机分别作为“双轮直立自平衡机器人”（以下命名为Sway）和人机交互上位机的控制核心。车体倾斜角度检

测采用AD公司推出的双轴加速度传感器ADXL202及反射式红外线距离传感器。利用PWM技术动态控制两台直流电机的转速。上位机与机器人间的数据通信采用迅通生产的PTR2000超小型超低功耗高速无线收发数传MODEM。人机交互界面采用240*128图形液晶点阵、方向摇杆及按键。基于这些完备而可靠的硬件设计，使用了一套独特的软件算法，实现了Sway的平衡控制与数据交换。

本设计的主要特色：

1.高速（25MIPS）低功耗的SOC单片机为各种复杂

算法的实现提供了保障，丰富的片内外设为高速数据采集及PWM调制信号的生成提供了方便，片内温度传感器方便对温度的采集。片内JTAG功能为程序的调试及对系统的现场编程提供了方便。

2.高效的H型PWM电路提高了电源的利用率，实现了

电机的平滑变速。

3.双轴加速度传感器及光电传感器的使用提高了车体

倾斜角度检测的精度，差分算法的应用提高了系统的抗干扰能力。

4.优化的软件算法，智能化的自动控制使车体运动准确

平稳。

5.高速的无线数据传输给各种远程数据采集和智能控

制提供了保障。

6.大屏幕液晶（蓝屏）显示及360度方向摇杆为人机

交互提供了良好的界面。

一、硬件方案的选择与论证

根据设计要求，系统可以划分为几个基本模块，如下图所示。对各模块的实现，分别有以下一些不同的设计方案。

车体系统模块组成

无线控制上位机模块组成

1、MCU主控制器

方案一：采用89S52单片机作为主控制器。优点：价格低廉，程序资源丰富，技术比较成熟。缺点：运算速度慢，很难担任复杂算法的计算工作；程序储存空间小，

不能储存大规模程序代码；数字外设少，片内没有模数转换器，不能直接进行数据采集。

方案二：采用PHILIPS公司出品的LPC2119 ARM7内核处理器。优点：处理速度快（指令速度可达60MIPS），可以担任大部分复杂算法的计算工作；片内外设非常丰富，可以进行实时数据采集，多种数据通信方式可供选择。缺点：价格昂贵，对于已有51系列单片机开发经验的人员来说原有程序不兼容。

方案三：采用Cygnal公司推出的C8051F005单片机。优点：具有与8051兼容的微控制器内核，与MCS-51指令集完全兼容，方便原有程序的移植。指令速度大大提高（最高25MIPS）,可以担任复杂算法的运算工作。片内集成了一个12位100KSPS的多通道ADC子系统，2个电压输出DAC、2个电压比较器、片内电压基准，这为进行实时的数据采集提供了方便。片内具有4个通用的16位定时器、一个具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列（PCA）,这为生成PWM信号给电动机调速提供了方便，又不会过多占用CPU资源。片内拥有2304B内部数据RAM，32KB FLASH储存器，可以在系统编程与全速非侵入式JTAG调试，这为生成大量程序代码和在线调试提供了保证。

基于上述理论分析，拟选择方案三。

2、倾角检测

方案一：采用水银开关。优点：价格便宜，货源广泛，原理简单。缺点：输出开关量，不能线性调整。震动易受到干扰，很难应用于高速高噪声场合。

方案二：采用光电接近传感器。优点：价格便宜，输出线性度好，方便对其输出的数据进行处理与调整。缺点：反射强度随着反射面材料或颜色的不同而改变，很难广泛适应不同的路面。

方案三：采用AD公司生产的双轴加速度传感器

ADXL202。优点：PWM输出，方便与单片机进行接口，线性输出，输出精度高，可以做高精度控制。缺点：价格昂贵，算法复杂。

方案四：综合采用光电接近传感器与ADXL202。优点：既克服了光电传感器对材料与颜色的挑剔，又克服了ADXL202的算法复杂。

基于上述考虑，拟采用方案四。

3、电机驱动调速模块

方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。

方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。

方案三：采用由达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截至模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单的实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。

基于上述理论分析，拟选择方案三。

4、车轮检速及路程计算模块

方案一：采用霍尔集成芯片。该器件内部由三片霍尔金属板组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔效应，金属板发生横向导通，因此可以在车轮上安装磁片，而将霍尔集成芯片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行车速测量。

方案二：受鼠标工作原理的启发，采用断续式光电开关。由于该开关是沟槽结构，可以将其置于固定轴上，再在车轮上均匀的固定多个遮光条，让其恰好通过沟槽，产生一个个脉冲。通过脉冲的计数，对速度进行测量。

以上两种都是比较可行的转速测量方案。尤其是霍尔器件，在工业上得到广泛采用。但是在本设计中，小车的车轮较小，方案一的磁片密集安装十分困难，容易产生相互干扰。相反，方案二适用于精度较高的场合，可以在车轮上加较多的遮光条来满足脉冲计数的精度要求，因此拟采用方案二。

5、温度检测

由于主控芯片C8051F005内部包括一个温度传感器连接到内部ADC的其中一路，因此省去了在外部挂设温度