深度探究两轮平衡电动车的设计技巧

近两年来，在公共场合常常能见到一种叫做体感车（或者叫平衡电动车）的代步工具，由于其便捷灵活，使得其颇为流行，并被称为“最后一公里神器”。其运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”的基本原理上，也就是车辆本身的自动平衡能力。以内置的精密固态陀螺仪来判断车身所处的姿势状态，透过精密且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，驱动马达来做到平衡的效果。
　　下文采用AVR Atmega16芯片作为主控制芯片，设计制作了两轮的自平衡电动车。文中分析了测量角度和角速度传感器的选择，通过Atmega16单片机多路信号AD采集陀螺仪和加速度计的信号，经过Kalman滤波算法计算动态的角度和角速度，通过LCD1602显示角速度和角度的值、转向值。利用PID控制算法控制自平衡车的平衡状态，使车体在平衡位置稳定。利用大功率MOS管设计驱动电路，通过单片机有效地控制电机的转速、电机的转向，从而有效地控制自平衡车的前进、后退及转弯功能。我们来看看具体的设计细节吧。
　　1研究意义
　　随着科学技术水平的不断进步，交通工具正朝着小型、节能、环保的方向发展，“电动车”正是在这个背景下孕育而生并为人们所熟识。据不完全统计，我国的电动车保有量已超过1.2亿辆，是增长速度最快的交通工具。随着石油储量的不断减少和人们环保意识的增强，“电动车”无疑将成为未来交通工具的主力军。就目前而言，电动车的种类主要有电动自行车、电动摩托车和电动汽车。由于电动机制造水平的提高，尤其是大功率直流无刷电动机制造工艺的成熟，带动了电动自行车和电动摩托车行业的飞速发展。同时，人们也根据两轮自平衡机器人工作原理，设计出了一些新式电动车——两轮自平衡电动车。它是一种新型的交通工具，它一改电动自行车和摩托车车轮前后排列方式，而是采用两轮并排固定的方式，这种结构将给人们带来一种全新的驾驭感受。两轮自平衡电动车仅靠两个轮子支撑车体，采用蓄电池提供动力，由电动机驱动，采用微处理器、姿态感知系统、控制算法及车体机械装置共同协调控制车体的平衡，仅靠人体重心的改变便可以实现车辆的启动、加速、减速、停止等功能。两轮自平衡车主要是绿色环保。电动车使用电池作为动力能源，并可以反复充电使用，大大减少了对环境的污染。转弯半径为零，在小空间范围内可以灵活运动。无刹车系统，由CPU自动给出正反转力矩，从而达到快速稳定的刹车效果。
　　控制极其方便，前进后退自如。两轮自平衡电动车是一个高度不稳定的系统，其动力学方程是一多变量、严重不稳定、耦合、时变、参数不确定性的非线性高阶方程，加上运动学方程中的非完整性约束，要求完成的控制任务也具有多重性，因此，两轮自平衡电动车作为一个具体的复杂系统，给控制理论提出了很大的挑战，是检验各种控制方法处理能力的典型装置。两轮自平衡电动车作为一种研究装置，可进行不确定性系统控制、非线性系统控制、自适应控制、智能控制等研究。
　　2系统总体设计方案
　　两轮自平衡自动车采用AVR Atmega16芯片作为主控制芯片，选择外部16 MHz晶振，使用JTAG仿真器进行实时仿真与调试；采用LCD1602显示转弯角度传感器测量的动态角度和角速度，为了让调试的过程中更加直观。动态角度和角速度的测量通过陀螺仪测量角速度，三轴加速度计测量角度。由于平衡车是运动的，所以三轴加速度计测量的角度里面参杂动态角度，最终通过卡尔曼硬件融合电路精确地测量出动态的角度和角速度。转向模块采用高精度电位器，当手把向右偏转时，两轮车向右转，当手把向左偏转时两轮自平衡车向左转弯，可以实现原地转弯。电机采用直流减速电机，主要是因为直流减速电机能耗低、性能优越、减速机效率高达95%以上，而且振动小、噪音低、节能高、选用优质段钢材料，钢性铸铁箱体，齿轮表面经过高频热处理。节省空间，可靠耐用，承受过载能力高，经过精密加工，确保定位精度，扭矩大。电机驱动模块采用大功率MOS管，由于电机的功率大，需要的电流大。电机的转动通过PID控制算法，实现两轮车的自平衡状态。系统简易硬件结构框图如图1所示。
　　
　　图1系统简易硬件结构框图