载人两轮平衡车的研究与制作

参考文献 ［１］阮晓钢，任红格．两轮自平衡机器人动力学建
模及其平衡控制［Ｊ］．计算机应用研究，２００９，２６（０１）： ９９－１０１．
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设计时利用了飞思卡尔的 ＭＣ９Ｓ１２ＸＳ１２８ＭＡＬ 单片机，ＡＤＸＬ３４５ 加速度传感器，ＥＮＣ 微机电陀螺 仪和 ＮＲＦ９０５ 无线模块。用 ＮＲＦ９０５ 完成遥控器的 发送和接收。遥控器的输入量是模拟量，输出量是数 字量。控制器接收到遥控传来的数据，再控制车前进 后退与左右转向。
本文以实用、易于上手为目的，实例讲解载人两 轮自平衡系统的设计制作过程。 1 硬件框图
［６］屠运武，徐俊艳，张培仁，等．自平 衡控制系统的建模与仿真［Ｊ］．系统仿真学 报，２００４，１６（０４）：８３９ －８４１．
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分。角度融合用于求出陀螺仪和加速度计的互补角 度值；电机控制需要根据互补融合算出的角度控制 ＰＷＭ 的占空比。角度的准确度决定了 ＰＩＤ 输出的 精准度，最终决定了小车系统动态平衡性能。而选 择不同 ＰＩＤ 方法也会导致系统动态性能的极大差 异。
４．１ 角度融合 加速度计对小车的加速度比较敏感，取瞬时值 计算倾角误差比较大；而陀螺仪积分得到的角度不 受小车加速度的影响，但是随着时间的增加，积分漂 移和温度漂移带来的误差比较大。所以这两个传感 器正好可以弥补相互的缺点。而互补滤波方法针对 两者的特性，通过调节两者测量角度值的比重，实现 了陀螺仪和加速度计间的角度相互融合。 Ａｎ＝ａｇｙｒｏ（Ａ（ｎ－１）＋ｗｇｙｒｏ＊ｄｔ）＋ｂａｃｃ＊Ａａｃｃ （１） 式（１）中，Ａｎ 表示第 ｎ 次滤波后的角度，Ａ（ｎ－ １） 表示第 ｎ－１ 次滤波后的角度，ａｇｙｒｏ 表示陀螺仪
Keywords：Ｔｗｏ－Ｗｈｅｅｌ Ｓｅｌｆ－Ｂａｌａｎｃｅｄ Ｓｙｓｔｅｍ；Ａｎｇｌｅ Ｆｕｓｉｏｎ；Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ；Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ；ＭＣ９Ｓ１２ＸＳ１２８ＭＡＬ
0 引言 在能源紧缺的今天，单人电动车体积小、节能减
排，可以有效地缓解交通拥挤的状况。自平衡双轮电 动车不仅具有以上优点，还能够方便地实现零半径 回转，能够胜任一些复杂环境里的工作。因此，它有 着广泛的应用前景，其典型应用包括代步工具、通勤 车、紧急服务、邮件派送、空间探索、战场侦察 。２００８ 年奥运会时，该车作为执勤人员的代步工具，方便实 用，体现了平衡车不同寻常的价值。目前，该车在国 内还未得到普及，主要原因是制作成本较高，售价也 相应较高。本次制作运用 ＡＤＸＬ３４５ 加速度传感器 和 ＥＮＣ 微机电陀螺仪经过互补滤波实现角度融合 的方法，达到两轮自平衡机器人角度检测的目的。互 补滤波角度融合相比卡尔曼滤波具有设计原理简 单、使用方便的特征，所以本次制作选用互补滤波。
载
人
两
载人两轮平衡车的研究与制作
轮 平
衡
车
Resear ch & Pr oduct i on f or Manned Two- wheel Bal anci ng Vehi cl e
的
研
究
邓敏林 刘喜兵 俞志强 王春来 杨振华
与
Ｄｅｎｇ Ｍｉｎｌｉｎ Ｌｉｕ Ｘｉｂｉｎｇ Ｙｕ Ｚｈｉｑｉａｎｇ Ｗａｎｇ Ｃｈｕｎｌａｉ Ｙａｎｇ Ｚｈｅｎｈｕａ
关键词：两轮自平衡系统；角度融合；加速度计；陀螺仪；ＭＣ９Ｓ１２ＸＳ１２８ＭＡＬ
中图分类号：ＴＰ２７３
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７１－４７９２（２０１３）０２－０２５３－０４
Abstract：Ｔｈｅ ｍａｎｎｅｄ ｔｗｏ－ｗｈｅｅｌ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｔｗｏ ｐａｒａｌｌｅｌ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ． Ｉｔｓｅｌｆ
硬件框架如图一所示。 2 硬件电路设计
一个载人电动车整体的运行功能，首先取决于 它的电源模块和电机驱动模块。
２．１ 电源和驱动 本设计电源部分分为两块：一部分为电机供电，
253
科技广场 2013.2
图一 硬件框图
不经过降压处理直接由 ３６Ｖ 锂离子电池供给；另一 部分为控制系统供电，采用 １２Ｖ 锂离子电池经过稳 压 芯 片 ＬＭ３１７ 和 ＬＭ１１１７－３．３ 来 降 压 得 到 ５Ｖ 和 ３．３Ｖ，给控制系统各个部分供电。采用独立供电的方 式，减小了电路之间的相互影响。
制
作
（南昌航空大学信息工程学院，江西 南昌 ３３００６３）
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｃｈａｎｇ Ｈａｎｇｋｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｎｇｘｉ Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００６３）
摘 要：载人两轮平衡车是一种两轮左右平行布置结构，是一种自然不稳定体。该设计制作的两轮自平
执行机构位置的大幅度变化。这样不利于动态平衡
系统。而增量式 ＰＩＤ 算式中不需要累加，控制增量
的确定仅与最近三次的采样值有关，容易通过加权
处理获得比较好的控制效果；且计算机每次只输出
控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发
生故障时影响范围小，不会发生严重后果，因此本文
采用增量式 ＰＩＤ 方法对小车进行控制。其控制流程
滤波权重系数，ｂａｃｃ 表示加速度计滤波权重系数，
ｗｇｙｒｏ 表示陀螺仪第 ｎ 次采 样 测 定 的 角 速 度 值 ，
Ａａｃｃ 表示加速度计第 ｎ 次采样测定的角度值。且
载 人
ａｇｙｒｏ＋ｂａｃｃ＝１
（２） 两
Ｒ＝ａｇｙｒｏ＊ｄｔ／ｂａｃｃ
轮 （３） 平
式（３）中，Ｒ 为时间常数
衡
车
由（３）可得：ａｇｙｒｏ＝Ｒ／（Ｒ＋ｄｔ）。
ｔｅｒ ａｎｄ ＥＮ－０３ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ ａｓ ｔｈｅ ｃａｒ ｓｔａｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ， ａｎｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｉｄ ｏｆ Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ＭＣＵ＇ｓ
ＰＷＭ ｗａｖｅ ｏｕｔｐｕｔ ａｎｄ ｔｈｅ ＭＣ９Ｓ１２ＸＳ１２８ＭＡＬ ｃｈｉｐ， ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｂａｌａｎｃｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ．
图如图四所示。
增量式 ＰＩＤ 算法公式：
（４）
其中
（５） （６）
（７）
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（８） 式（４）、（５）、（６）中，Ａ、Ｂ、Ｃ 都需要自己给定。 ｕｋ＝ｕｋ－１＋△ｕｉ
图四 电机控制流程图
5 结束语 本次制作是想通过设计制作一款性能可靠且价
格适中的平衡电动车，实现其实用价值，同时也为平 衡车在国内的推广以及节能减排、减少污染作出一 点贡献。
任程度”。
在本系统里经过测试，ａｇｙｒｏ 和 ｂａｃｃ 的值分别
确定为 ０．９６６ 和 ０．０３４。
４．２ 增量式 ＰＩＤ
位置式 ＰＩＤ 在当前采样时刻的输出与过去的
各个状态有关，计算时要对误差进行累加，运算量
大；而且控制器的输出对应的是执行机构的实际位
置，如果计算机出现故障，输出的大幅度变化会引起
表一 30A 双路电机驱动模块工作原理表
２．２ 倾角传感器 ＡＤＸＬ３４５ 三轴加速度传感器是一种可对物体 运动过程中的加速度进行测量的电子设备。其工作 原理是传感器首先由前端感应器件感测加速度的大 小，然后由感应电信号器件转为可识别的电信号，这 个信号是模拟信号。ＡＤＸＬ３４５ 中集成了 ＡＤ 转换 器，可以将模拟信号数字化。通过 ＩＩＣ 串行接口输出 数据。我们只需要通过反正切运算推算出芯片此时 的空间角度变化值。加速计在长时间内工作的可信 度比陀螺仪高，但容易受车体震动和车体旋转的影 响。在本系统中，我们使用了加速度计 Ｙ 轴和 Ｚ 轴 的加速度输出作为陀螺仪的角度互补值。 多数惯导系统需要角度信号。陀螺仪输出的是 角速度信号，是瞬时量，需要对角速度进行积分得到 角度变化量。但陀螺仪的原理决定了它的测量基准 是其本身，并不是系统外的绝对参照物，加上积分时 间 Ｔ 不可能无限小，积分的累积误差会随着时间的 流逝越来越大，最终导致输出角度与实际不符，所以 陀螺仪只能工作在相对较短的时间内。需要长时间 得到准确的角度，就需要加速度计与陀螺仪相互进 行修正配合使用。 ２．３ 遥控部分 遥控部分结构如图二所示。
［３］付梦印，邓志红，张继伟．Ｋａｌｍａｎ 滤波理论及 其在导航系统中的应用 ［Ｍ］． 北京：科学出版社，
２００３． ［４］毛克诚，孙付平．扩展卡尔曼滤波
与采样卡尔曼滤波性能比较 ［Ｊ］． 海洋测 绘，２００６，２６（０５）：４－６．
［５］Ａｎ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ Ｋａｌｍａｎ Ｆｉｌｔｅｒ．Ｇｒｅｇ Ｗｅｌｃｈ ａｎｄ Ｇａｒｙ Ｂｉｓｈｏｐ．ＴＲ ９５－０４１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ． Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ ａｔ Ｃｈａｐｅｌ Ｈｉｌｌ． Ｃｈａｐｅｌ Ｈｉｌｌ， ＮＣ ２７５９９－３１７５．
衡车在对互补滤波、角度融合理论进行一定研究的基础上，利用飞思卡尔的微控制器 ＭＣ９Ｓ１２ＸＳ１２８ＭＡＬ，
以 及 ＡＤＸＬ３４５ 加 速 度 传 感 器 和 ＥＮＣ－０３ 陀 螺 仪 作 为 运 动 状 态 感 知 系 统 ， 并 借 助 ＰＩＤ 控 制
ＭＣ９Ｓ１２ＸＳ１２８ＭＡＬ 芯片的 ＰＷＭ 波输出和驱动控制电机转向及转速，实现了小车的动态自平衡。
的
由（２）、（３）可得：ｂａｃｃ＝ｄｔ／（Ｒ＋ｄｔ）。
研 究
时间常数 Ｒ 决定了陀螺仪和加速度计的权重 与
制 值。时间常数 Ｒ 较小时，陀螺仪的作用加强，加速度 作
计的噪声将被过滤；时间常数 Ｒ 较大时，加速度计
的作用加强，陀螺仪的噪声将被过滤。时间常数 Ｒ
是系统待定值，利用它可以调节系统对传感器的“信
１２Ｖ 转 ５Ｖ 由经典 ＬＭ３１７ 电路实现。ＬＭ３１７ 是 三端稳压芯片，有三个引脚 Ｖｉｎ、Ｖｏｕｔ、Ａｄｊｕｓｔ。Ｖｉｎ 端接入 Ｖｃｃ 电源电压；Ｖｏｕｔ 端输出 ５Ｖ 电压，为系 统各个模块供电；Ａｄｊｕｓｔ 端是控制端用来调节输出 电压。输出电压 Ｖｏｕｔ＝１．２５（１＋Ｒ２／Ｒ１），输出电压范 围 １．２５Ｖ 至 ３７Ｖ 连续可调 。输出端并联电容滤除交 流成分，平滑直流输出。
ｗａｓ ａ ｎａｔｕｒａｌ ｕｎｓｔａｂｌｅ ｂｏｄｙ． Ｂｙ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｆｉｌｔｅｒ ａｎｄ ａｎｇｌｅ ｆｕｓｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ， ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ
பைடு நூலகம்
ｓｅｌｆ－ｂａｌａｎｃｅｄ ｔｗｏ－ｗｈｅｅｌ ｖｅｈｉｃｌｅ． Ｉｔ ｕｓｅｄ Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ＇ｓ ＭＣ９Ｓ１２ＸＳ１２８ＭＡＬ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ， ＡＤＸＬ３４５ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅ－
ＮＲＦ９０５ 所需的 ３．３Ｖ 电压是先通过 ＬＭ３１７ 得 到 ５Ｖ 电压，再通过 ＬＭ１１１７－３．３ 将 ５Ｖ 转为 ３．３Ｖ 得 到。
因为制作的平衡车在保持平衡时电机会经常启 动和改变转动方向，启动时电流会非常大，对驱动的 要求比较高。为了方便，电机驱动模块是从网上购 买。其额定电压 ３—３６Ｖ，额定电流：３０Ａ，峰值电流： １１０Ａ。驱动模块工作原理如表一所示。
图二 摇控部分结构图
3 系统控制架构 小车在实现动态平衡的过程中，会不停地根据
车身的偏转姿态值整定增量式 ＰＩＤ 的输出，调整 ＰＷＭ 占空比，以此控制电机转向和转速，达到控制 自身平衡的目的。系统控制流程如图三所示。
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图三 系统控制流程图
4 算法设计 系统主要算法包括角度融合和电机控制两个部
控制系统研究［Ｄ］．上海：上海交通大学，２００７． ［２］ＡｃｔｉｖＭＥＤＩＡ ＲＯＢＯＴＩＣＳ． Ｐｉｏｎｅｅｒ ２ Ｍｏｂｉｌｅ
Ｒｏｂｏｔ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｍａｎｕａｌ ［ＥＢ／ ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ ｒｏｂｏｔｓ． ａｃｔｉｖｍｅｄｉａ． ｃｏｍ／ ａｒｃｈｉｖｅｓ／ ｐｉｏｎｅｅｒ ｕｓｅｒｓ／ｐ２ｏｐｍａｎ２． ｐｄｆ， １９９９，１０．