两轮自平衡直立车

两轮自平衡直立车
目录
一、设计背景
二、整体设计
平衡原理 硬件设计
三、设计创新
四、应用前景
一、设计背景

两轮自平衡电动车具有行走灵活、便利、节能等特点得 到了很大的发展。

国外有很多这方面的研究，也有相应的产品；国内虽有 一些试探性的研究，但是没有可靠的商业产品。

平衡车能改变人们出行方式，占用空间少；可有效减轻 国内交通拥挤的情况。
车模运行引起的加速度计波动
平衡控制原理
陀螺仪：
陀螺仪可以测量物体的角速度，不会 受到车体运动的影响，因此该信号中噪声 很小。
由于从陀螺仪角速度获得角度信息， 需要经过积分运算，所以轻微的温度漂移 和误差积分后就能产生较大的误差。
角速度积分漂移现象
平衡控制原理
为了结合加速度计和陀螺仪的优缺点，我
们采用了互补滤波作为拟合算法。 互补滤波是利用陀螺仪进行积分得到角度，
四、应用前景
1、国内尚无成熟产品，竞争相对较弱。
2、占用空间少，可减轻国内堵车的情况。
3、双轮电动，绿色出行无污染。
调试工具

使用.Net编写上位机，方便调节。 编写菜单，支持现场功能设置、调节
上位机
菜单
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渲染图
姿态模块原理图(MMA7361、LG4D20)
主板
硬件设计
主板包括了最小系统、电源、和其他外围模块的接口。
采用L6932作为3.3V电源，稳定可靠。
硬件设计
驱动设计
采用IR7843自搭双H桥驱动，最大电流160A，控制频率10kHz。
三、设计创新
1、左右两轮电动车，独特的平衡设计方案。 2、全部电路、模块均为自己设计，独一无二。 3、加入控制算法(PID、互补等)，控制更稳定。
欧姆龙编码器安装
方向制原理
通过线性CCD摄像头，检测赛道后进行 处理，得到一个与赛道中心的偏差；偏 差通过改进式位置PD（用横向陀螺仪代 替微分项）计算后得到一个转向值，将 该转向值分别加减在左右电机输出上， 即可实现转向。
CCD图像与二值化
硬件设计
姿态模块
姿态模块为整个系统的核心， 要求稳定性高、抗干扰能力强； 设计时将数字与模拟地用磁珠 和电感隔离。
3、控制车模方向：
通过控制两个电机之间的转动差速实现 车体转向控制。
三层控制之间的配合
平衡控制原理
加速度计：
加速度传感器可以测量由地球引力作用 或者物体运动所产生的加速度。 重力加速度g便会在Z轴方向形成加速 度分量；当车身发生倾斜时，引起该轴输出 电压变化；即可测得与水平面偏角。 由于车模本身的摆动所产生的加速度会产生 很大的干扰信号，所以加速度计并不可靠。
为了减小积分误差，引入加速度计定期对陀螺
仪积分值进行补偿，保证系统长时间运行稳定。 互补滤波在直立车方面具有计算量小、噪 音小、参数选定简单的特点。 得到角度量后，只需要对角度进行PD计算后 输出到电机，就能实现基础的平衡控制。
最终角度拟合结果
需要调节的相关参数
速度控制原理
对于直立车的速度控制，是利用编码器定时 对车体的速度进行测量，之后使用增量式 PID对速度进行计算后叠加到平衡控制的输 出量上。 为了最大限度地减小对平衡控制的影响，必 须缓慢平滑的叠加上去。
一种常见的平衡车
二、整体设计
路径识别模块（CCD摄像头）
主控板（MK60FX512） 驱动模块（双H桥）
姿态模块（陀螺仪加速度计） 速度采集模块（编码器）
平衡原理
平衡车任务分解：
1、控制车模平衡： 通过检测车身倾角计算后控制两个电机 正反向运动保持车模直立平衡状态。 2、控制车模速度： 通过调节车身倾角来实现车模速度控制。