采用ATMEGA16單片機(jī)設(shè)計(jì)的兩輪自平衡電動(dòng)車

　　近兩年來，在公共場合常常能見到一種叫做體感車(或者叫平衡電動(dòng)車)的代步工具，由于其便捷靈活，使得其頗為流行，并被稱為“最后一公里神器”。其運(yùn)作原理主要是建立在一種被稱為“動(dòng)態(tài)穩(wěn)定”的基本原理上，也就是車輛本身的自動(dòng)平衡能力。以內(nèi)置的精密固態(tài)陀螺儀來判斷車身所處的姿勢狀態(tài)，透過精密且高速的中央微處理器計(jì)算出適當(dāng)?shù)闹噶詈螅?qū)動(dòng)馬達(dá)來做到平衡的效果。

　　下文采用AVR Atmega16芯片作為主控制芯片，設(shè)計(jì)制作了兩輪的自平衡電動(dòng)車。文中分析了測量角度和角速度傳感器的選擇，通過Atmega16單片機(jī)多路信號(hào)AD采集陀螺儀和加速度計(jì)的信號(hào)，經(jīng)過Kalman濾波算法計(jì)算動(dòng)態(tài)的角度和角速度，通過LCD1602顯示角速度和角度的值、轉(zhuǎn)向值。利用PID控制算法控制自平衡車的平衡狀態(tài)，使車體在平衡位置穩(wěn)定。利用大功率MOS管設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，通過單片機(jī)有效地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電機(jī)的轉(zhuǎn)向，從而有效地控制自平衡車的前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)彎功能。我們來看看具體的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)吧。

　　1研究意義

　　隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，交通工具正朝著小型、節(jié)能、環(huán)保的方向發(fā)展，“電動(dòng)車”正是在這個(gè)背景下孕育而生并為人們所熟識(shí)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國的電動(dòng)車保有量已超過1.2億輛，是增長速度最快的交通工具。隨著石油儲(chǔ)量的不斷減少和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，“電動(dòng)車”無疑將成為未來交通工具的主力軍。就目前而言，電動(dòng)車的種類主要有電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車和電動(dòng)汽車。由于電動(dòng)機(jī)制造水平的提高，尤其是大功率直流無刷電動(dòng)機(jī)制造工藝的成熟，帶動(dòng)了電動(dòng)自行車和電動(dòng)摩托車行業(yè)的飛速發(fā)展。同時(shí)，人們也根據(jù)兩輪自平衡機(jī)器人工作原理，設(shè)計(jì)出了一些新式電動(dòng)車——兩輪自平衡電動(dòng)車。它是一種新型的交通工具，它一改電動(dòng)自行車和摩托車車輪前后排列方式，而是采用兩輪并排固定的方式，這種結(jié)構(gòu)將給人們帶來一種全新的駕馭感受。兩輪自平衡電動(dòng)車僅靠兩個(gè)輪子支撐車體，采用蓄電池提供動(dòng)力，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用微處理器、姿態(tài)感知系統(tǒng)、控制算法及車體機(jī)械裝置共同協(xié)調(diào)控制車體的平衡，僅靠人體重心的改變便可以實(shí)現(xiàn)車輛的啟動(dòng)、加速、減速、停止等功能。兩輪自平衡車主要是綠色環(huán)保。電動(dòng)車使用電池作為動(dòng)力能源，并可以反復(fù)充電使用，大大減少了對(duì)環(huán)境的污染。轉(zhuǎn)彎半徑為零，在小空間范圍內(nèi)可以靈活運(yùn)動(dòng)。無剎車系統(tǒng)，由CPU自動(dòng)給出正反轉(zhuǎn)力矩，從而達(dá)到快速穩(wěn)定的剎車效果。

　　控制極其方便，前進(jìn)后退自如。兩輪自平衡電動(dòng)車是一個(gè)高度不穩(wěn)定的系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)方程是一多變量、嚴(yán)重不穩(wěn)定、耦合、時(shí)變、參數(shù)不確定性的非線性高階方程，加上運(yùn)動(dòng)學(xué)方程中的非完整性約束，要求完成的控制任務(wù)也具有多重性，因此，兩輪自平衡電動(dòng)車作為一個(gè)具體的復(fù)雜系統(tǒng)，給控制理論提出了很大的挑戰(zhàn)，是檢驗(yàn)各種控制方法處理能力的典型裝置。兩輪自平衡電動(dòng)車作為一種研究裝置，可進(jìn)行不確定性系統(tǒng)控制、非線性系統(tǒng)控制、自適應(yīng)控制、智能控制等研究。

　　2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　兩輪自平衡自動(dòng)車采用AVR Atmega16芯片作為主控制芯片，選擇外部16 MHz晶振，使用JTAG仿真器進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真與調(diào)試;采用LCD1602顯示轉(zhuǎn)彎角度傳感器測量的動(dòng)態(tài)角度和角速度，為了讓調(diào)試的過程中更加直觀。動(dòng)態(tài)角度和角速度的測量通過陀螺儀測量角速度，三軸加速度計(jì)測量角度。由于平衡車是運(yùn)動(dòng)的，所以三軸加速度計(jì)測量的角度里面參雜動(dòng)態(tài)角度，最終通過卡爾曼硬件融合電路精確地測量出動(dòng)態(tài)的角度和角速度。轉(zhuǎn)向模塊采用高精度電位器，當(dāng)手把向右偏轉(zhuǎn)時(shí)，兩輪車向右轉(zhuǎn)，當(dāng)手把向左偏轉(zhuǎn)時(shí)兩輪自平衡車向左轉(zhuǎn)彎，可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。電機(jī)采用直流減速電機(jī)，主要是因?yàn)橹绷鳒p速電機(jī)能耗低、性能優(yōu)越、減速機(jī)效率高達(dá)95%以上，而且振動(dòng)小、噪音低、節(jié)能高、選用優(yōu)質(zhì)段鋼材料，鋼性鑄鐵箱體，齒輪表面經(jīng)過高頻熱處理。節(jié)省空間，可靠耐用，承受過載能力高，經(jīng)過精密加工，確保定位精度，扭矩大。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用大功率MOS管，由于電機(jī)的功率大，需要的電流大。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過PID控制算法，實(shí)現(xiàn)兩輪車的自平衡狀態(tài)。系統(tǒng)簡易硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　圖1系統(tǒng)簡易硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　2.1車模直立控制方案

　　兩輪白平衡車的直立是通過負(fù)反饋來實(shí)現(xiàn)的，但是兩輪自平衡車的直立相對(duì)木棒的直立是相對(duì)簡單的，木棒的直立是二維的而自平衡車有兩個(gè)輪子著地且直立是一維的。所以通過控制輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)，抵消傾斜的趨勢便可以很好地保持車體直立。兩輪自平衡車模型如圖2所示。

　　圖2兩輪自平衡車模型圖

　　兩輪自平衡車之所以在不加外力的情況下不能夠直立，是因?yàn)檐圀w的偏轉(zhuǎn)方向和受力方向是在同一方向，所以車體會(huì)加速倒下，如果要車體直立不倒下那就需要添加外力作用才能夠保持平衡狀態(tài)，這個(gè)外力就是車輪對(duì)地的摩擦力。由于電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)給地面一個(gè)摩擦力，根據(jù)牛頓第三定律，地面給車體一個(gè)與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反的作用力，這樣才會(huì)不至于讓車體加速倒下。

　　圖3受力分析圖

　　兩輪自平衡車的受力分析：

　　兩輪自平衡車的受力分析