基于MEMS慣性傳感器的兩輪自平衡小車設(shè)計(jì)

5 硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件主要由以下幾個(gè)模塊組成：小車模型、HT66FU50單片機(jī)最小系統(tǒng)、姿態(tài)檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、速度檢測(cè)電路、藍(lán)牙模塊和電源模塊。

5.1 合泰HT66FU50芯片

　　HT66FU50單片機(jī)^[7]的增強(qiáng)型TM模塊具備兩路PWM輸出，分別是TP1A與TP1B，對(duì)應(yīng)復(fù)用管腳分別是PA1與PE4，作為兩路線圈驅(qū)動(dòng)的PWM信號(hào)。

　　具備串行接口模塊SIM(I²C通信僅從機(jī)模式)和一個(gè)獨(dú)立的SPIA串行接口模塊，用于SPI通信。與MPU-6050模塊連接，方案一，單片機(jī)模擬I2C通信主機(jī)模式連接，兩線制;方案二，采用獨(dú)立的SPIA串行接口模塊連接，四線制，僅限MPU-6000模塊。

　　單片機(jī)內(nèi)部的串行接口模塊SIM+HT45B0F可以實(shí)現(xiàn)與藍(lán)牙模塊通信。外部中斷INT0與INT1可以用于光電編碼器的連接。

5.2 姿態(tài)檢測(cè)模塊

　　方案1：

　　由加速度計(jì)MMA7260 /MMA7361、陀螺儀ENC-03及放大電路組成，輸出角度與角速度的模擬信號(hào)要通過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，參考文獻(xiàn)文獻(xiàn)[3]。

　　方案2：

　　MPU-6050[8]的角速度全格感測(cè)范圍為±250°/sec(dps)、±500°/sec(dps)、±1000°/sec(dps)與±2000°/sec (dps)，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，并且用戶可程式控制的加速器全格感測(cè)范圍為±2g、±4g、±8g與±16g。產(chǎn)品傳輸可透過最高至400KHz的I²C。

　　MPU6050輸出的位數(shù)為16位(65536)對(duì)應(yīng)滿量程，當(dāng)量程為±8g時(shí)對(duì)應(yīng)靈敏度就為65536LSB/16g=4096LSB/g，選擇測(cè)量范圍越大，對(duì)應(yīng)精度就越低。

5.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

　　本設(shè)計(jì)的采用兩塊半橋驅(qū)動(dòng)IR2111芯片驅(qū)動(dòng)4只場(chǎng)效應(yīng)管IRF1405，作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。CD4001BCN四2輸入或非門芯片，可實(shí)現(xiàn)單路輸出高低電平來控制我們電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，節(jié)省控制端口。JP3的另一路輸入為控制ENA使能端，隨時(shí)關(guān)閉任何一路驅(qū)動(dòng)橋的輸入，這個(gè)使能端口用來輸入PWM信號(hào)。如圖7所示。

5.4 電機(jī)速度檢測(cè)電路

　　電機(jī)速度控制需要測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)的電機(jī)速度檢測(cè)主要是采用光電編碼器來完成，利用控制單片機(jī)的計(jì)數(shù)器測(cè)量在固定時(shí)間間隔內(nèi)速度脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)可以測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。光電編碼器輸出，如圖8所示。

5.5 無線通信解決方案

　　藍(lán)牙透?jìng)髂Ｊ椒浅７奖悖瑢⑵胀ù谧優(yōu)闊o線串口。選用HC-06藍(lán)牙模塊作為與外部設(shè)備(PC或手機(jī))連接的模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控與無線操控。

6 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框架主要包括：資源模塊初始化、姿態(tài)信息采集、數(shù)據(jù)融合、速度檢測(cè)、直流電機(jī)PID控制，系統(tǒng)軟件流程如圖9所示。

7 組裝與調(diào)試

　　本文采用液晶LCD1602輔助數(shù)據(jù)顯示。調(diào)試方法與測(cè)試方法依次如下：

　　首先，藍(lán)牙收發(fā)串口調(diào)試;第二步，單片機(jī)串口收發(fā)測(cè)試;第三步，編碼器測(cè)速調(diào)試;第四步，I²C通信調(diào)試;第五步，MPU6050數(shù)據(jù)采集調(diào)試;第六步，PWM控制電機(jī)調(diào)試;最后，卡爾曼與PID算法調(diào)試。控制算法、建模及PD調(diào)節(jié)的取值，參考文獻(xiàn)。

8 總結(jié)

　　本作品參考arduino開源平衡車與nBot平衡車^[3]，感謝全球默默無聞的平衡車愛好者無私奉獻(xiàn)，感謝參考文獻(xiàn)作者的付出。

　　理論研究的仿真過程與實(shí)際控制過程算法、卡爾曼系數(shù)、PID調(diào)節(jié)系數(shù)相結(jié)合很難^[10]。這也是作者在研發(fā)設(shè)計(jì)平衡車過程中最棘手的問題，也是多數(shù)論文幾乎不涉及的內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]陸軍.基于PID和LQR控制的兩輪自平衡小車研究[D].西安交通大學(xué). 2012(6)

　　[2]姜良銀. 兩輪自平衡機(jī)器人控制關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].上海大學(xué). 2011(4)

　　[3]David P.Anderson .nBot Balancing Robot [EB/OL]. http://geology.heroy.smu.edu/~dpa-www/robo/nbot/ .2003(1)

　　[4]李榮偉，李鑫，孫傳開，等.兩輪自平衡小車的設(shè)計(jì)[J].常熟理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)), 2012，26(10)：70-75

　　[5]“飛思卡爾”杯電磁組直立行車參考設(shè)計(jì)(版本2.0)[EB/OL]. http://www.smartcar.au.tsinghua.edu.cn/column/pxxz .2012(3)

　　[6]魯云，趙亮，陳曉東，等. 基于磁導(dǎo)航的兩輪智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào). 2013,36(1):17-21

　　[7]鐘啟仁. HT66Fxx Flash單片機(jī)原理與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版杜. 2011

　　[8]MPU-6050官方手冊(cè). [EB/OL]. http://www.invensense.com/mems/gyro/mpu6050.html .2014-12

　　[9]LEGO MINDSTORMS NXTway-GS Model-Based Design [EB/OL]

　　http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/19147-nxtway-gs-self-balancing-two-wheeled-robot-controller-design 2009-5

　　[10]侯繼紅，馬聰承. 自平衡兩輪電動(dòng)車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J]. 湖北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014,36(4)：307-312

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第2期第51頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。