（嘉兴学院 浙江嘉兴 314001）
摘要：针对智能车为两轮直立行走的要求，提出了系统的设计方案。微处理器采用MC9S12XS128，用加速度传感器检测车的倾角，陀螺仪检测车的角加速度；通过控制两个电机的加减速实现车的自平衡控制。实验表明：该方法制作的两轮自平衡车构造简单，控制方便，能够较好的实现自平衡控制。
关键词：自平衡；智能车；传感器；驱动
两轮自平衡小车本质上是一类两轮智能机器人，是机器人研究领域中一个崭新的方向。与传统的机器人相比，它具有更广阔的发展前景。开展该领域的研究，对拓展机器人的应用范围、提高国内两轮机器人的研究水平和机器人控制水平有重要的理论和现实意义。本文以MC9S12XS128为微处理器，采用MMA7260加速度传感器和NEC-03陀螺仪共同检测车模的角度信息，通过控制两个电机的加减速度来实现了智能车的自平衡控制，实验表明：该方法制作的两轮自平衡车构造简单，控制方便，适应性强、响应迅速快，能够较好的实现自平衡控制并有很强的抗干扰能力。
1.设计原理
两轮车是一个高度不稳定系统，在重力作用下车体姿态本征不稳定，致使在没有外加调控下必然倾倒的现象。因此，要保持车的平衡只有通过控制轮子转动，抵消车体倾斜的趋势以保持平衡。为了保持智能车的直立自平衡状态，需要满足以下两个条件：一是需要准确测量车体的倾角和角加速度的大小，以得到车的状态和趋势；二是需要控制车轮的速度和加速度，使智能车保持直立的状态。因此，从控制角度来看，将智能车作为一个控制对象，两个车轮的转动速度为控制输量。整个控制系统又可分为三个子系统：（1）智能车的平衡控制：车的倾角为输入量，通过控制两个电机的加速度保持小车衡。（2）智能车的速度控制：在保持平衡的基础上，改变车的倾角来调节车的速度，实际上还是通过对电机的控制来实现速度控制。（3）智能车方向控制：控制两个电机的转速差来实现车的转向。
2.自平衡智能车系统结构
自平衡智能车系统主要包括系统主要由以下几个模块组成：MC9S12XS128单片机最小系统硬件设计、电源模块硬件设计、倾角传感器信号调理电路设计、电机驱动电路设计、速度检测电路。自平衡智能车系统结构框图如图1所示。
图1自平衡智能车系统结构框图
通过加速度传感器和陀螺仪共同检测智能车的角度信息（即角度和角速度信息），智能车使用H桥驱动来驱动直流电机；为了实现对车速精准的控制，需要测速模块。
2．1 加速度传感器
本系统采用的加速度计是飞思卡尔公司三轴加速度计MMA7260。可以同时输出3个方向上的加速度模拟信号，该加速度传感器是一种低g值的传感器，输出信号很大，不需要再进行放大。电路搭建简单，测量精度高。
2．2 陀螺仪
陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度，因此，本系统采用陀螺仪进行角速度的测量。根据精度需要选用了村田公司出品的ENC-03系列的加速度传感器，是一种低成本压电式陀螺仪，利用陶瓷双压电片受振动来检测哥式加速度，响应范围从 DC到50Hz。它利用了旋转坐标系中的物体会受到科里奥利力的原理，当旋转器件时会改变振动频率从而反映出物体旋转的角速度。
2．3 电机驱动电路设计
由于两轮自平衡车在平衡过程中需要不断前后运动调整车身姿态，因此需要电机能够实现双向转动。为此，系统采用两片专用半桥驱动芯片BTS7960构成全桥式驱动电路。由单片机的PWM模块产生驱动波形，通过改变PWM占空比实现直流电机的调速功能。驱动芯片BTS7960在工作时，阻抗典型值为16 mΩ（IOUT=9 A，Ti=25℃），最大驱动电流为43 A。由于内部集成控制电路具有逻辑电平输入功能，因此方便与单片机的接口电路连接，该集成驱动电路还具有转换率调整、电流检测能力的状态标志诊断、还具有锁定行为的过热关断、欠压锁定、过压锁定、过流以及短路保护等功能，驱动电路图如图2所示。
图2 驱动电路图
由于电机启动瞬间电流很大，会将整个系统电压拉低，造成其他设备如单片机的工作不正常，因此要在电池电源输入侧加上较大滤波电容。
如图2所示，PWM1和PWM2分别为两个半桥的控制端口。当PWM1为高电平，PWM2为低电平时，MOTOR1口即输出高电压，MOTOR2输出低电压，此时电机正转；当PWM1为低电平而PWM2为高电平时，MOTOR1口即输出低电压，MOTOR2输出高电压，此时电机反转。通过改变PMW1和PWM2端口的驱动波形占空比改变输出端电压，从而实现电机调速的目的。
2．4 速度检测电路。
两轮自平衡小车的原理是利用地面对车轮的摩擦力抵消车受到的重力，在本系统的控制环节中有两路闭环控制，即倾角闭环控制以及速度闭环控制。为实现速度的闭环控制，必须加入速度检测装置实现速度闭环控制中的反馈环节。本系统测速模块采用OMRON（欧姆龙）公司500线增量式旋转编码器，编码器内部为一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，由光电发射和接收器件读取，编码器的脉冲信号可连接计数器，单相联接，可进行单方向计数，单方向测速，两相联接，用于正反向的判断和计数、速度测量。三相联接，可用于用于基准点定位的位置测量。本测速模块构造简单，抗干扰能力强，可靠性高。
3通讯电路设计
本设计中涉及多种传感器的应用，为使系统工作稳定，完成设计要求，需要检测各传感器的工作状态。同时还要对数据融合波形以及控制算法进行实时监测，并对相关参数进行调整。为此本设计需要设计辅助调试模块，本设计采用RS232串口通信作为调试方法。计算机与MC9S12XS128之间使用RS232进行数据传输。
4结语
本文阐述了系统硬件电路的设计。整个系统硬件电路平台搭建后实验结果表明，本系统方法简单实用，可以很好地实现预期的功能，即实现小车的动态自平衡适应性强的特点，有很好的实用价值。
参考文献：
[1] 蔡述庭“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛设计与实践—基于S12XS和KinetisK10.北京航空航天大学出版社.2010
[2] 余世干，苗清，张廉洁，周红志.两轮自平衡智能车寻迹系统设计与实现.重庆三峡学院学报，2016，32（3）：43-46
基金项目：本文得到嘉兴学院大学生创新项目资助
作者简介：
胡巍，女，1996年生，杭州人，嘉兴学院南湖学院电气工程及其自动化专业学生，研究方向为电气控制。
论文作者:胡巍,郑琼伟,毛玉列,刘青松
论文发表刊物:《电力设备》2017年第14期
论文发表时间:2017/9/6
标签：智能论文; 陀螺仪论文; 加速度论文; 速度论文; 传感器论文; 电机论文; 两轮论文; 《电力设备》2017年第14期论文;