基于K60的載人平衡車

北方民族大學(xué)　魏彩穎　?！×帷∶蠎c宇　李　鑫

基于K60的載人平衡車

北方民族大學(xué)魏彩穎祝玲孟慶宇李鑫

隨著低碳社會(huì)的到來(lái)，節(jié)能減排已然成為當(dāng)今社會(huì)的主流。作為環(huán)境污染的主要制造者，汽車尾氣越來(lái)越成為人們關(guān)注的 題。基于這種狀況，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了一種新型節(jié)能的交通工具：兩輪自平衡車。平衡車以電能為主要?jiǎng)恿?，用現(xiàn)在主流芯片F(xiàn)REESCALE K60最為控制核心，采用高精度六軸陀螺儀來(lái)控制平衡。本設(shè)計(jì)不僅最大程度緩解了環(huán)境污染問(wèn)題，而且緩解了城市擁堵，一舉兩得。

低碳社會(huì)；節(jié)能減排；FREESCALE K60；陀螺儀；城市擁堵

1.緒論

現(xiàn)如今環(huán)境問(wèn)題愈演愈烈，交通狀況越來(lái)越差，已經(jīng)嚴(yán)重影響到人們的日常工作和生活。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種完全電能驅(qū)動(dòng)的小型載人兩輪平衡車。本設(shè)計(jì)以“飛思卡爾”智能車競(jìng)賽直立組為靈感，采用freescale系列K60芯片為主控制器，以當(dāng)今市場(chǎng)主流高精度六軸陀螺儀MPU6050作為角度采集模塊。軟件方面則采用了卡爾曼濾波算法融合陀螺儀的加速度和角速度，得到一個(gè)穩(wěn)定的實(shí)時(shí)相對(duì)角度數(shù)據(jù)，然后利用經(jīng)典PID和模糊算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后PWM控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出，平衡車持續(xù)保持穩(wěn)定。

2.總體設(shè)計(jì)

文章所設(shè)計(jì)的兩輪平衡車采用16bit數(shù)字陀螺儀實(shí)時(shí)檢測(cè)車體的俯仰以及傾側(cè)狀態(tài)和狀態(tài)的變化率，經(jīng)過(guò)高速的cotex M4內(nèi)核的K60芯片將數(shù)據(jù)通過(guò)一定算法進(jìn)行融合得到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)信息，從而控制電機(jī)前進(jìn)或者后退保持車身平衡并且提供報(bào)警信息，同時(shí)通過(guò)編碼器隨時(shí)檢測(cè)電機(jī)速度，構(gòu)成一個(gè)反饋系統(tǒng)，是平衡車穩(wěn)定。

圖1　

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

平衡車系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括主控制器、角度采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊。以下將依次介紹。

3.1freescale K60主控模塊

飛思卡爾半導(dǎo)體是世界領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，其專注于嵌入式處理解決方案。飛思卡爾面向汽車、網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)和消費(fèi)電子市場(chǎng)，提供的技術(shù)包括微處理器、微控制器、傳感器、模擬集成電路和連接。而其旗下的K60微處理器則是一個(gè)常用的版本。此版本是基于cotex m4內(nèi)核的Kinetis系列芯片，主要應(yīng)用于汽車智能方面，現(xiàn)在作為飛思卡爾智能車競(jìng)賽主要控制器。

3.2MPU6050六軸陀螺儀

在平衡車制作及運(yùn)行過(guò)程中，另外一個(gè)重心就是姿態(tài)獲取及處理。在本次設(shè)計(jì)中，我們選取現(xiàn)在市場(chǎng)上熱門的六軸數(shù)字陀螺儀MPU6050模塊，此模塊集成了三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)，通信方式為標(biāo)準(zhǔn)IIC通信協(xié)議，并且芯片內(nèi)置16bit AD轉(zhuǎn)換器和16bit數(shù)據(jù)輸出，在精度上完全能夠達(dá)到要求，并且降低了算法復(fù)雜度。

3.336V電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

在平衡車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，采用l298電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，這塊芯片內(nèi)部包含四通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。主要應(yīng)用于二相和四相電機(jī)，可驅(qū)動(dòng)46A、2A以下的電機(jī)。在本次設(shè)計(jì)中，為了保證驅(qū)動(dòng)能力，采用兩塊驅(qū)動(dòng)模塊單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部電路圖如圖2所示：

圖2　

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1系統(tǒng)軟件流程圖

本文所設(shè)計(jì)的平衡車系統(tǒng)在軟件方面主要分為：系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)中斷持續(xù)采集信號(hào)，卡爾曼濾波，PID控制系統(tǒng)，PWM輸出。流程圖如圖3所示：

圖3　

4.2系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化是對(duì)主控芯片的引腳輸出以及中斷控制器和IIC通信接口進(jìn)行配置，還有一些外圍模塊的初始化設(shè)置。主要作用是保證系統(tǒng)運(yùn)行所需要的部分能夠正常運(yùn)行，并且能達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)。

4.3卡爾曼濾波

卡爾曼濾波（Kalman filtering）一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過(guò)系統(tǒng)輸入輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的算法。由于觀測(cè)數(shù)據(jù)中包括系統(tǒng)中的噪聲和干擾的影響，所以最優(yōu)估計(jì)也可看作是濾波過(guò)程。在本文所涉及的濾波算法主要作用是對(duì)陀螺儀所采集的加速度和角速度值進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到一個(gè)最優(yōu)角度數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行姿態(tài)矯正，保證平衡車平穩(wěn)運(yùn)行。

4.4PID

PID控制算法是一種應(yīng)用最經(jīng)典的自動(dòng)化控制算法，其名稱是由比例、積分、微分英文單詞的縮寫。其中P值是對(duì)宏觀的調(diào)整，在大偏差下對(duì)數(shù)據(jù)作調(diào)整，I值和D值則是對(duì)微觀的調(diào)整，保證了數(shù)據(jù)誤差的提前改善。而在平衡車設(shè)計(jì)中，只采用PI控制，整體控制在四旋翼以及多旋翼中比較常見(jiàn)。

［1］韓學(xué)軍，王義軍.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.中國(guó)電力出版社，2013，03.

［2］閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［m］.高等教育出版社，2006，05.

［3］袁帥.兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì).北京交通大學(xué)碩士論文，2012.

with the advent of the low-carbon society， energy-saving emission reduction has become the mainstream of today’s soci a topic of concern. Based on this situation， we have designed a new type of energy saving vehicle： two wheeled self balancing vehicle. Balance car with electric energy as the main power， with the current mainstety. As the main producer of environmental pollution， automobile exhaust has becomeream chip FREESCALE K60 the most control core， using high-precision six axis gyroscope to control the balance. This design not only alleviates the problem of environmental pollution，And to ease the congestion of the city， shoot two hawks with one arrow.

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