·68·
科技论坛
两轮自平衡小车的研究与创新
黎晓敏
(广东东软学院信息技术与商务管理系,广东佛山528225)
摘要:本文提出了一种两轮自平衡车的设计方案。以姿态传感器(陀螺仪、加速度计) 来监测车身所处的俯仰状态和状态变化率,使
用卡尔曼滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合,通过高速中央处理器计算出适当数据和指令后,驱动电动机产生前进或后退
小车自行保持直立, 并且具有较好的回复平衡能力。的加速度来达到车体前后平衡的效果。实验结果表明:
关键词:MCU ;姿态传感器;外围扩展;步进电机;
可控角度1两轮自平衡小车研究的意义
两轮自平衡小车是复杂的非线性系统,是验证各种控制算法的
作为轮式移动机器人一个重要分支,它具有绿色环保,体理想平台。
积小,运动灵活,适于在狭小和危险的环境下工作的特点,同时还可以作为一种运输和载人工具,有着重要的理论研究意义和广阔的应用前景。
两轮自平衡小车就像传统的倒立摆一样,其本身是一个自然不稳定体,必须施加强有力的控制手段才能使之稳定。其工作原理是系统以姿态传感器(陀螺仪、加速度计) 来监测车身所处的俯仰状态和状态变化率,使用卡尔曼滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合,通过高速中央处理器计算出适当数据和指令后,驱动电动机产生前进或后退的加速度来达到车体前后平衡的效果。本文选用适当的控制器、执行电机和传感器,设计出两轮自平衡小车的驱动电路,实现了两轮小车的硬件控制系统。
2两轮自平衡小车工作原理
本项目的两轮平衡车主要由以下几部分组成:电池、M CU 控制姿态传感器单元、外围扩展单元、步进电机驱动单元。单元、
M CU 控制单元主要负责信号分析以及发出控制指令。它负责采集来自于M PU-6050传感器的信号,并使用卡尔曼滤波算法将其转换成角度和角速度。当倾斜角度在程序可控范围内时,M CU 根据角度和角速度计算出两组驱动电机所需要的PWM 值。当倾斜角度超过程序可控范围时,M CU 控制平衡车停止运行,并发出警告。
姿态传感器单元使用M PU-6050传感器模块检测车身姿态,并将检测出的数据通过I2C 总线传输给M CU 控制单元。
外围扩展单元则可以根据实际需要增加一些扩展功能,如蓝牙距离传感器等。模块、
步进电机驱动单元使用lv8731v 电机驱动模块,其利用M CU 产
图1小车受力分解图
图2系统硬件框架
生的PWM 信号来分别驱动左右两个步进电机。
M CU 控制单元的ARM 微处理器主要应用到了以下几个功能:①I2C 通信功能。用于M CU 与M PU-6050传感器的数据通信以及M CU 与外围扩展功能的数据通信。
②定时器功能。主要用于数据刷新以及生产PWM 控制信号。③中断功能。用于定时器和串行接口模块的中断服务。3两轮自平衡小车技术创新
①自动刹车。车身装载距离传感器,当小车在工作中检测到前方有障碍物,能过自动减速静止。(转下页)
4结论
采用水热法制备Ce/TiO2/粉煤灰光催化剂,研究表明降解效率十分显著。用灼烧温度为500℃,催化剂用量为40mg 的Ce/TiO2/粉龙煤灰光催化剂在高压紫外汞灯照射下降解10mg/L的罗丹明B 、
胆紫其催化效果最佳,降解效率可达到99%以上。参考文献[1]张云怀, 刘仁龙, 张丙怀. 以粉煤灰微珠为载体的TiO 2结构和光催化性能的研究[J].精细化工中间体,2002,32(4):38-40.[2]阎存仙, 周红, 李世雄. 粉煤灰对染料废水的脱色研究[J].环境污染与防治,2000,22(5):3-5.
[3]周珊, 杜冬云. 我国粉煤灰综合利用研究进展[J].冶金能源,2002,21
(5):53-55.ÆÇÈÉ [4]肖鹏, 张云怀. 粉煤灰负载体TiO 2光催化剂及其光催化活性的研
究[J].粉煤灰综合利用,2004,2(2):15-16.
图3改性粉煤灰对龙胆紫溶液催化活性的影响
B 400℃30mg 龙胆紫C 500℃30mg 龙胆紫D 600℃30mg 龙胆紫E 400℃40mg 龙胆紫F 500℃40mg 龙胆紫G 600℃40mg 龙胆紫H 400℃50mg 龙胆紫I 500℃50mg 龙胆紫J 600℃50mg 龙胆紫
由图2和图3可以看出,在400℃到500℃范围内锻烧所得的光催化活性随温度的升高而增加,在500℃到600℃光催化活性随温度的升高而下降。这是因为当锻烧温度太低时,TiO 2的晶化程度不够,影响了光催化性能;而当锻烧温度太高时,粉煤灰载体容易发生烧结,从而造成比表面积减小,导致催化活性降低,所以选择500℃作为锻烧温度的最佳条件。
科技论坛·69·
当动态平衡满足f H =f, 驱动力最大为50.974[N],则有
f (m M ) g tan
arctan
代入具体参数:
f
(m M ) g
50.974
30.10
(7.4 1.4)9.8
)(4
arctan
所以,两轮自平衡小车的可控角度在±30.10。
5自平衡小车的软硬件结构5.1硬件结构硬件部分,如图2所示,电源采用锂电池供电,使用集成降压芯片给各模块提供所需的电压。微控制器作为系统的核心控制单元,用I2C 总线与外围设备进行通信。同时,处理器通过对数据的处理,
lv8731v 根据PWM 信号分别产生相应的PWM 信号传输给lv8731v 。
驱动两个减速电机做出相应的动作。
5.2软件结构软件部分,如图3所示,系统启动之后,所有硬件都有一个初始
程序会首先通过I2C 读取姿态传感器的数化的过程。初始化完毕,
据,并使用卡尔曼滤波算法计算出角度和角速度。当角度超过程序所能控制最大范围时,程序将控制lv8731v 关闭电机。当角度在可控
图3软件流程
范围内时,程序将角度和角速度通过PID 算法计算出PWM 的值。传输给电机驱动模块实现直立控制。
②密码防盗。小车工作前需要用户输入密码才能开始工作,防
当车体直立在很小的角度而左右摆动时,经分析与测试,电机
止他人盗窃。
的调整补偿量的计算可使用如下公式:PWM =ADD 1×P+
③智能垃圾桶。当用户有需求也就是有垃圾要扔的时候,只需
ADD2×D(3)
要对着摄像头举一下手,然后摄像头会通过手势识别技术获得信
其中PWM 为直立控制的电机给定值;ADD 1为滤波后车体倾
号,再通过无线通信给小车发送信号,小车收到信号就会按照地图
斜角度对应数值;ADD2为车体倾斜角速度对应的数值;P 、D 为对
自行绕过障碍物来到用户旁边,用户把垃圾放到小车的垃圾桶里
应的比例参数,需要依据具体实验现象整定。
面,小车回到原来地点,回复待机状态。为了实现智能垃圾桶的功
6调试与结论
能,给小车添加无线网卡模块,距离传感器,手势识别模块,同时在
直立控制需要整定的参数有P 、D ;P 影响车体调整的快速
车身装上一个垃圾桶,通过软硬件的协调让自平衡小车成为一个智
性,D 影响车体调整时对倾倒趋势的预测。
能垃圾桶。
整定方法:依据使用不同参数时的车体直立状态来调整参数,
基于智能垃圾桶的技术,还可以把其设计成上菜机器人,在某
车体处于直立时在受到干扰信号后,容易很快往一个方向倾倒。首
些Party 、酒店可以在一定程度上充当服务员。
先令D=0,然后将P 调大,增加P 直到车体出现振动为止;当
同时,两轮自平衡车还能够在某些狭小、危险的环境下工作,完
直到车体不振动为止;最终两轮直车体振动时慢慢将D 参数增大,
成运输、拍摄、监测等任务。
立车体能够达到很好的直立效果。
4自平衡小车的可控角度分析
实物车体调试经验总结:
两轮自平衡小车受力分解图如图1所示。图中对重力加速度g
a. P 过小则车体倾倒时电机补偿快速性太差,造成电机补偿不
的分解,沿着水平方向的加速度为gsin θ,那么沿着水平方向的加
过来,车体倾倒。
速度分解值为:
b. P 过大则车体倾倒时电机补偿过大,会造成车体振荡。g sin 1
g tan 1a c. 合适的D 参数会减小车体的振荡,过大会加剧车体振荡,过
)(1cos 1
小则不起作用。
重力沿着水平方向的分解为即为:
d. 只有当P 、D 参数协调才会达到较好的控制效果,反之某个参数会起反作用。f Á (m M ) a  (m M ) g tan (2)
参考文献
其中M 为下车体的质量,m 为上支架的质量。g 为重力加速度。
[1]柯国松. 两轮自平衡小车的研究与实现[J].工业控制计算机,
设定M =7.4[kg],N=1.4[kg],期望可控偏移角度为±50,所以在期望
2014,24(11).
可控角度内最大水平分力为:
[2]王耀南,孙炜等. 智能控制理论及其应用[M].北京:机械工业出版
(m M ) g tan 7.488[N ]社,2008.
[3]张文春. 汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2005.
电机所产生的水平方向的驱动力为f 为
[4]马明建. 数据采集与处理技术[M].西安:西安交通大学出版社,
K Á
2005. f (t ) (t ) (3)
[5]程刚. 两轮自平衡小车可控角度的推到研究[J].技术纵横,2008R
(6).
其中R 为小车车轮半径,K g 为减速比,τ(t)为电机扭矩。
项目来源:(pdjh2015b0611)两轮自平衡小车的研发———广东省
选用M axon 电机和减速箱可知减速比K g =33:1,R=0.06[m],τ(t)
团委科技攀登计划。
=92.4×10-3[nm],则电机可以提供的最大输出驱动力为:
f
33
92.4
10 3 50.974[N ]0.06
·68·
科技论坛
两轮自平衡小车的研究与创新
黎晓敏
(广东东软学院信息技术与商务管理系,广东佛山528225)
摘要:本文提出了一种两轮自平衡车的设计方案。以姿态传感器(陀螺仪、加速度计) 来监测车身所处的俯仰状态和状态变化率,使
用卡尔曼滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合,通过高速中央处理器计算出适当数据和指令后,驱动电动机产生前进或后退
小车自行保持直立, 并且具有较好的回复平衡能力。的加速度来达到车体前后平衡的效果。实验结果表明:
关键词:MCU ;姿态传感器;外围扩展;步进电机;
可控角度1两轮自平衡小车研究的意义
两轮自平衡小车是复杂的非线性系统,是验证各种控制算法的
作为轮式移动机器人一个重要分支,它具有绿色环保,体理想平台。
积小,运动灵活,适于在狭小和危险的环境下工作的特点,同时还可以作为一种运输和载人工具,有着重要的理论研究意义和广阔的应用前景。
两轮自平衡小车就像传统的倒立摆一样,其本身是一个自然不稳定体,必须施加强有力的控制手段才能使之稳定。其工作原理是系统以姿态传感器(陀螺仪、加速度计) 来监测车身所处的俯仰状态和状态变化率,使用卡尔曼滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合,通过高速中央处理器计算出适当数据和指令后,驱动电动机产生前进或后退的加速度来达到车体前后平衡的效果。本文选用适当的控制器、执行电机和传感器,设计出两轮自平衡小车的驱动电路,实现了两轮小车的硬件控制系统。
2两轮自平衡小车工作原理
本项目的两轮平衡车主要由以下几部分组成:电池、M CU 控制姿态传感器单元、外围扩展单元、步进电机驱动单元。单元、
M CU 控制单元主要负责信号分析以及发出控制指令。它负责采集来自于M PU-6050传感器的信号,并使用卡尔曼滤波算法将其转换成角度和角速度。当倾斜角度在程序可控范围内时,M CU 根据角度和角速度计算出两组驱动电机所需要的PWM 值。当倾斜角度超过程序可控范围时,M CU 控制平衡车停止运行,并发出警告。
姿态传感器单元使用M PU-6050传感器模块检测车身姿态,并将检测出的数据通过I2C 总线传输给M CU 控制单元。
外围扩展单元则可以根据实际需要增加一些扩展功能,如蓝牙距离传感器等。模块、
步进电机驱动单元使用lv8731v 电机驱动模块,其利用M CU 产
图1小车受力分解图
图2系统硬件框架
生的PWM 信号来分别驱动左右两个步进电机。
M CU 控制单元的ARM 微处理器主要应用到了以下几个功能:①I2C 通信功能。用于M CU 与M PU-6050传感器的数据通信以及M CU 与外围扩展功能的数据通信。
②定时器功能。主要用于数据刷新以及生产PWM 控制信号。③中断功能。用于定时器和串行接口模块的中断服务。3两轮自平衡小车技术创新
①自动刹车。车身装载距离传感器,当小车在工作中检测到前方有障碍物,能过自动减速静止。(转下页)
4结论
采用水热法制备Ce/TiO2/粉煤灰光催化剂,研究表明降解效率十分显著。用灼烧温度为500℃,催化剂用量为40mg 的Ce/TiO2/粉龙煤灰光催化剂在高压紫外汞灯照射下降解10mg/L的罗丹明B 、
胆紫其催化效果最佳,降解效率可达到99%以上。参考文献[1]张云怀, 刘仁龙, 张丙怀. 以粉煤灰微珠为载体的TiO 2结构和光催化性能的研究[J].精细化工中间体,2002,32(4):38-40.[2]阎存仙, 周红, 李世雄. 粉煤灰对染料废水的脱色研究[J].环境污染与防治,2000,22(5):3-5.
[3]周珊, 杜冬云. 我国粉煤灰综合利用研究进展[J].冶金能源,2002,21
(5):53-55.ÆÇÈÉ [4]肖鹏, 张云怀. 粉煤灰负载体TiO 2光催化剂及其光催化活性的研
究[J].粉煤灰综合利用,2004,2(2):15-16.
图3改性粉煤灰对龙胆紫溶液催化活性的影响
B 400℃30mg 龙胆紫C 500℃30mg 龙胆紫D 600℃30mg 龙胆紫E 400℃40mg 龙胆紫F 500℃40mg 龙胆紫G 600℃40mg 龙胆紫H 400℃50mg 龙胆紫I 500℃50mg 龙胆紫J 600℃50mg 龙胆紫
由图2和图3可以看出,在400℃到500℃范围内锻烧所得的光催化活性随温度的升高而增加,在500℃到600℃光催化活性随温度的升高而下降。这是因为当锻烧温度太低时,TiO 2的晶化程度不够,影响了光催化性能;而当锻烧温度太高时,粉煤灰载体容易发生烧结,从而造成比表面积减小,导致催化活性降低,所以选择500℃作为锻烧温度的最佳条件。
科技论坛·69·
当动态平衡满足f H =f, 驱动力最大为50.974[N],则有
f (m M ) g tan
arctan
代入具体参数:
f
(m M ) g
50.974
30.10
(7.4 1.4)9.8
)(4
arctan
所以,两轮自平衡小车的可控角度在±30.10。
5自平衡小车的软硬件结构5.1硬件结构硬件部分,如图2所示,电源采用锂电池供电,使用集成降压芯片给各模块提供所需的电压。微控制器作为系统的核心控制单元,用I2C 总线与外围设备进行通信。同时,处理器通过对数据的处理,
lv8731v 根据PWM 信号分别产生相应的PWM 信号传输给lv8731v 。
驱动两个减速电机做出相应的动作。
5.2软件结构软件部分,如图3所示,系统启动之后,所有硬件都有一个初始
程序会首先通过I2C 读取姿态传感器的数化的过程。初始化完毕,
据,并使用卡尔曼滤波算法计算出角度和角速度。当角度超过程序所能控制最大范围时,程序将控制lv8731v 关闭电机。当角度在可控
图3软件流程
范围内时,程序将角度和角速度通过PID 算法计算出PWM 的值。传输给电机驱动模块实现直立控制。
②密码防盗。小车工作前需要用户输入密码才能开始工作,防
当车体直立在很小的角度而左右摆动时,经分析与测试,电机
止他人盗窃。
的调整补偿量的计算可使用如下公式:PWM =ADD 1×P+
③智能垃圾桶。当用户有需求也就是有垃圾要扔的时候,只需
ADD2×D(3)
要对着摄像头举一下手,然后摄像头会通过手势识别技术获得信
其中PWM 为直立控制的电机给定值;ADD 1为滤波后车体倾
号,再通过无线通信给小车发送信号,小车收到信号就会按照地图
斜角度对应数值;ADD2为车体倾斜角速度对应的数值;P 、D 为对
自行绕过障碍物来到用户旁边,用户把垃圾放到小车的垃圾桶里
应的比例参数,需要依据具体实验现象整定。
面,小车回到原来地点,回复待机状态。为了实现智能垃圾桶的功
6调试与结论
能,给小车添加无线网卡模块,距离传感器,手势识别模块,同时在
直立控制需要整定的参数有P 、D ;P 影响车体调整的快速
车身装上一个垃圾桶,通过软硬件的协调让自平衡小车成为一个智
性,D 影响车体调整时对倾倒趋势的预测。
能垃圾桶。
整定方法:依据使用不同参数时的车体直立状态来调整参数,
基于智能垃圾桶的技术,还可以把其设计成上菜机器人,在某
车体处于直立时在受到干扰信号后,容易很快往一个方向倾倒。首
些Party 、酒店可以在一定程度上充当服务员。
先令D=0,然后将P 调大,增加P 直到车体出现振动为止;当
同时,两轮自平衡车还能够在某些狭小、危险的环境下工作,完
直到车体不振动为止;最终两轮直车体振动时慢慢将D 参数增大,
成运输、拍摄、监测等任务。
立车体能够达到很好的直立效果。
4自平衡小车的可控角度分析
实物车体调试经验总结:
两轮自平衡小车受力分解图如图1所示。图中对重力加速度g
a. P 过小则车体倾倒时电机补偿快速性太差,造成电机补偿不
的分解,沿着水平方向的加速度为gsin θ,那么沿着水平方向的加
过来,车体倾倒。
速度分解值为:
b. P 过大则车体倾倒时电机补偿过大,会造成车体振荡。g sin 1
g tan 1a c. 合适的D 参数会减小车体的振荡,过大会加剧车体振荡,过
)(1cos 1
小则不起作用。
重力沿着水平方向的分解为即为:
d. 只有当P 、D 参数协调才会达到较好的控制效果,反之某个参数会起反作用。f Á (m M ) a  (m M ) g tan (2)
参考文献
其中M 为下车体的质量,m 为上支架的质量。g 为重力加速度。
[1]柯国松. 两轮自平衡小车的研究与实现[J].工业控制计算机,
设定M =7.4[kg],N=1.4[kg],期望可控偏移角度为±50,所以在期望
2014,24(11).
可控角度内最大水平分力为:
[2]王耀南,孙炜等. 智能控制理论及其应用[M].北京:机械工业出版
(m M ) g tan 7.488[N ]社,2008.
[3]张文春. 汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2005.
电机所产生的水平方向的驱动力为f 为
[4]马明建. 数据采集与处理技术[M].西安:西安交通大学出版社,
K Á
2005. f (t ) (t ) (3)
[5]程刚. 两轮自平衡小车可控角度的推到研究[J].技术纵横,2008R
(6).
其中R 为小车车轮半径,K g 为减速比,τ(t)为电机扭矩。
项目来源:(pdjh2015b0611)两轮自平衡小车的研发———广东省
选用M axon 电机和减速箱可知减速比K g =33:1,R=0.06[m],τ(t)
团委科技攀登计划。
=92.4×10-3[nm],则电机可以提供的最大输出驱动力为:
f
33
92.4
10 3 50.974[N ]0.06