采用ATMEGA16單片機設計的兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)

　　近兩年來(lái)，在公共場(chǎng)合常常能見(jiàn)到一種叫做體感車(chē)(或者叫平衡電動(dòng)車(chē))的代步工具，由于其便捷靈活，使得其頗為流行，并被稱(chēng)為“最后一公里神器”。其運作原理主要是建立在一種被稱(chēng)為“動(dòng)態(tài)穩定”的基本原理上，也就是車(chē)輛本身的自動(dòng)平衡能力。以?xún)戎玫木芄虘B(tài)陀螺儀來(lái)判斷車(chē)身所處的姿勢狀態(tài)，透過(guò)精密且高速的中央微處理器計算出適當的指令后，驅動(dòng)馬達來(lái)做到平衡的效果。

　　下文采用AVR Atmega16芯片作為主控制芯片，設計制作了兩輪的自平衡電動(dòng)車(chē)。文中分析了測量角度和角速度傳感器的選擇，通過(guò)Atmega16單片機多路信號AD采集陀螺儀和加速度計的信號，經(jīng)過(guò)Kalman濾波算法計算動(dòng)態(tài)的角度和角速度，通過(guò)LCD1602顯示角速度和角度的值、轉向值。利用PID控制算法控制自平衡車(chē)的平衡狀態(tài)，使車(chē)體在平衡位置穩定。利用大功率MOS管設計驅動(dòng)電路，通過(guò)單片機有效地控制電機的轉速、電機的轉向，從而有效地控制自平衡車(chē)的前進(jìn)、后退及轉彎功能。我們來(lái)看看具體的設計細節吧。

　　1研究意義

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，交通工具正朝著(zhù)小型、節能、環(huán)保的方向發(fā)展，“電動(dòng)車(chē)”正是在這個(gè)背景下孕育而生并為人們所熟識。據不完全統計，我國的電動(dòng)車(chē)保有量已超過(guò)1.2億輛，是增長(cháng)速度最快的交通工具。隨著(zhù)石油儲量的不斷減少和人們環(huán)保意識的增強，“電動(dòng)車(chē)”無(wú)疑將成為未來(lái)交通工具的主力軍。就目前而言，電動(dòng)車(chē)的種類(lèi)主要有電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)摩托車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)。由于電動(dòng)機制造水平的提高，尤其是大功率直流無(wú)刷電動(dòng)機制造工藝的成熟，帶動(dòng)了電動(dòng)自行車(chē)和電動(dòng)摩托車(chē)行業(yè)的飛速發(fā)展。同時(shí)，人們也根據兩輪自平衡機器人工作原理，設計出了一些新式電動(dòng)車(chē)——兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)。它是一種新型的交通工具，它一改電動(dòng)自行車(chē)和摩托車(chē)車(chē)輪前后排列方式，而是采用兩輪并排固定的方式，這種結構將給人們帶來(lái)一種全新的駕馭感受。兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)僅靠?jì)蓚€(gè)輪子支撐車(chē)體，采用蓄電池提供動(dòng)力，由電動(dòng)機驅動(dòng)，采用微處理器、姿態(tài)感知系統、控制算法及車(chē)體機械裝置共同協(xié)調控制車(chē)體的平衡，僅靠人體重心的改變便可以實(shí)現車(chē)輛的啟動(dòng)、加速、減速、停止等功能。兩輪自平衡車(chē)主要是綠色環(huán)保。電動(dòng)車(chē)使用電池作為動(dòng)力能源，并可以反復充電使用，大大減少了對環(huán)境的污染。轉彎半徑為零，在小空間范圍內可以靈活運動(dòng)。無(wú)剎車(chē)系統，由CPU自動(dòng)給出正反轉力矩，從而達到快速穩定的剎車(chē)效果。

　　控制極其方便，前進(jìn)后退自如。兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)是一個(gè)高度不穩定的系統，其動(dòng)力學(xué)方程是一多變量、嚴重不穩定、耦合、時(shí)變、參數不確定性的非線(xiàn)性高階方程，加上運動(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(chē)作為一個(gè)具體的復雜系統，給控制理論提出了很大的挑戰，是檢驗各種控制方法處理能力的典型裝置。兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)作為一種研究裝置，可進(jìn)行不確定性系統控制、非線(xiàn)性系統控制、自適應控制、智能控制等研究。

　　2系統總體設計方案

　　兩輪自平衡自動(dòng)車(chē)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)仿真與調試;采用LCD1602顯示轉彎角度傳感器測量的動(dòng)態(tài)角度和角速度，為了讓調試的過(guò)程中更加直觀(guān)。動(dòng)態(tài)角度和角速度的測量通過(guò)陀螺儀測量角速度，三軸加速度計測量角度。由于平衡車(chē)是運動(dòng)的，所以三軸加速度計測量的角度里面參雜動(dòng)態(tài)角度，最終通過(guò)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。轉向模塊采用高精度電位器，當手把向右偏轉時(shí)，兩輪車(chē)向右轉，當手把向左偏轉時(shí)兩輪自平衡車(chē)向左轉彎，可以實(shí)現原地轉彎。電機采用直流減速電機，主要是因為直流減速電機能耗低、性能優(yōu)越、減速機效率高達95%以上，而且振動(dòng)小、噪音低、節能高、選用優(yōu)質(zhì)段鋼材料，鋼性鑄鐵箱體，齒輪表面經(jīng)過(guò)高頻熱處理。節省空間，可靠耐用，承受過(guò)載能力高，經(jīng)過(guò)精密加工，確保定位精度，扭矩大。電機驅動(dòng)模塊采用大功率MOS管，由于電機的功率大，需要的電流大。電機的轉動(dòng)通過(guò)PID控制算法，實(shí)現兩輪車(chē)的自平衡狀態(tài)。系統簡(jiǎn)易硬件結構框圖如圖1所示。

　　圖1系統簡(jiǎn)易硬件結構框圖

　　2.1車(chē)模直立控制方案

　　兩輪白平衡車(chē)的直立是通過(guò)負反饋來(lái)實(shí)現的，但是兩輪自平衡車(chē)的直立相對木棒的直立是相對簡(jiǎn)單的，木棒的直立是二維的而自平衡車(chē)有兩個(gè)輪子著(zhù)地且直立是一維的。所以通過(guò)控制輪子的轉動(dòng)，抵消傾斜的趨勢便可以很好地保持車(chē)體直立。兩輪自平衡車(chē)模型如圖2所示。

　　圖2兩輪自平衡車(chē)模型圖

　　兩輪自平衡車(chē)之所以在不加外力的情況下不能夠直立，是因為車(chē)體的偏轉方向和受力方向是在同一方向，所以車(chē)體會(huì )加速倒下，如果要車(chē)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(chē)輪對地的摩擦力。由于電機在轉動(dòng)時(shí)給地面一個(gè)摩擦力，根據牛頓第三定律，地面給車(chē)體一個(gè)與相對運動(dòng)方向相反的作用力，這樣才會(huì )不至于讓車(chē)體加速倒下。

　　圖3受力分析圖

　　兩輪自平衡車(chē)的受力分析：

　　兩輪自平衡車(chē)的受力分析