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(chǎng)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(shì)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?，?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(cè)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(zhǎng)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?jī)蓚€(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(cè)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(cè)量通過陀螺儀測(cè)量角速度，三軸加速度計(jì)測(cè)量角度。由于平衡車是運(yùn)動(dòng)的，所以三軸加速度計(jì)測(cè)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(cè)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(jiǎn)易硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)簡(jiǎn)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(jiǎn)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(shì)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：

2.2 車模行走控制方案

兩輪自平衡車的速度是通過車輪的速度實(shí)現(xiàn)的。車輪的速度通過直流電機(jī)經(jīng)過減速箱，增大扭矩。利用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和PWM調(diào)速系統(tǒng)控制兩輪自平衡車的平穩(wěn)運(yùn)行。然后通過電機(jī)的加速度控制車體的平衡，通過電機(jī)的恒定速度和靜止?fàn)顟B(tài)控制車體的勻速運(yùn)動(dòng)和靜止?fàn)顟B(tài)。

在運(yùn)行的過程中當(dāng)人體的傾角增大時(shí)車輪的加速隨之增大以控制車體的平衡，當(dāng)車體恢復(fù)平衡時(shí)，以恒定的速度勻速前進(jìn)。

當(dāng)轉(zhuǎn)把轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位功能，在轉(zhuǎn)把的軸徑方向安裝一個(gè)大強(qiáng)度的彈簧，使轉(zhuǎn)把在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中自動(dòng)恢復(fù)原位，實(shí)現(xiàn)了靈活轉(zhuǎn)彎的效果，如果轉(zhuǎn)把的偏向角足夠大可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎，使兩輪車的運(yùn)行更加靈活，方便在狹小的地方使用。轉(zhuǎn)把示意圖如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)把示意圖

轉(zhuǎn)把的方向和偏向角是通過高精度電位器檢測(cè)的，在轉(zhuǎn)把的固定軸上安裝個(gè)角度傳感器，實(shí)現(xiàn)角度的測(cè)量。

3 程序流程圖

為了便于程序的開發(fā)和以后的使用與維護(hù)，全部程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，即由一個(gè)主程序和若干個(gè)子程序模塊構(gòu)成。主程序首先完成初始化工作，包括定時(shí)器初始化、LCD16 02液晶模塊初始化、定時(shí)器中斷初始化、系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、其他參數(shù)的初始化等。然后啟動(dòng)定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)，開中斷允許單片機(jī)響應(yīng)內(nèi)部中斷請(qǐng)求。定時(shí)器中斷流程圖如圖6所示。各程序功能模塊包括LCD1602液晶顯示、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)角度測(cè)量、轉(zhuǎn)向、欠壓報(bào)警等。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 定時(shí)器中斷流程圖

整個(gè)系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)。軟件系統(tǒng)包括：主程序負(fù)責(zé)顯示。車體直立模塊用定時(shí)器1中斷完成，每進(jìn)入一次中斷完成一次PID算法控制車體平衡，在車體保持平衡狀態(tài)的情況下通過采集轉(zhuǎn)把數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎功能。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)采用ATMEGA16控制芯片簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。利用MMA7260和ENC-03MB可以精確地測(cè)量出車體的動(dòng)態(tài)角度和角速度，采用大功率MOS管和板橋驅(qū)動(dòng)芯片可以很好地去除MOS管的發(fā)熱問題，減少能量的損耗。本電動(dòng)車采用鋰電池供電既節(jié)能又環(huán)保，本設(shè)計(jì)的兩輪自平衡電動(dòng)車可以在狹小的環(huán)境中行走自如，使出行帶來方便。本系統(tǒng)對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。