1、江苏科技大学本科毕业设计（论文 ) 江苏科技大学本科毕业论文 两轮平衡车的驱动系统设计与制作 The Design and Production of Two Rounds of Balanced Car Drive System VI 江 苏科技大学本科毕业设计（论文 ) 摘 要 两轮平衡车是一种新型的交通工具，它与传统的两轮车不同，采用两轮并排固定的 方式组成了平衡车的基本模型。就像一种两轮平行的机器人一样。这种两轮平衡小车还可 以直立移动，具有转弯半径小，操作方便，移动轨迹灵活的特点。在各个领域都有非常广 泛的应用前景。另外，与汽车、摩托车相比，它采用电瓶驱动两轮，电机驱动功率小，为 电
2、瓶长时间供电提供了可能，也为推进环保事业建设提供了一种新思路。本文旨在研究一 种两轮平衡小车的驱动系统。该系统的主要架构是由两个平行的小轮组成的，如同倒立摆 一样，本身就是一个自然不稳定体 1，必须施加强有力的控制手段才能使之稳定。它的工 作原理主要是通过陀螺仪，加速度计，角度传感器 2等传感器来检测平衡车所处的运动状 态，然后将传感器检测到的信号传输到中央高速处理器经过计算之后，处理器发出指令， 驱动电机输出适当转矩，使小车产生前进或后退的加速度来达到小车动态平衡的效果。 本文在查阅和整理了国内外研究平衡小车的相关资料后，在拥有平衡车实验平台的前 提下，选用适当的单片机、半桥驱动器、场效应管
3、等主体电子元器件设计出两轮自平衡小 车驱动系统的驱动电路，完成了两轮自平衡小车驱动系统的控制的硬件搭建。 整个硬件系统制作完成后，各个模块可以实现协调正常工作。 MSP430 单片机通过检 测到陀螺仪，加速度计，角度传感器传输的信号，采用 PID 控制策略吧输出精准的 PWM 波，实现驱动系统直流电机的驱动。从而使小车可以实现前进、后退、加速、减速、转弯 等简单的一系列基本动作。 关键字 ： 两轮自平衡小车；驱动电路； SP430 单片机 VII 江苏科技大学本科毕业设计（论文 ) Abstract Balanced car is a new means of transport. It is
4、 different from the traditional two-wheelers because it uses the way of two rounds of fixed side by side consisting of the basic model of balanced car which is like two parallel robots. This two-wheeled balanced robot has vertical movement, turning radius small, easy to operate and the movement traj
5、ectory flexible. It has a very wide range of applications in various fields. In addition, compared with cars and motorcycles, it uses a battery driven two rounds, small motor to drive power, provides the battery power supply for a long time and provides a new way of thinking that promote s the envir
6、onmental construction. This paper aims to study a two -balancing vehicle drive system. The main structure of the system is composed of two parallel ferry composed, like an inverted pendulum. It is a naturally and must exert strong control means to make it stable. It works mainly through gyroscopes,
7、accelerometers, sensors and other sensors to detect the angle of the car in which the equilibrium state of motion. Then the sensor detects the signal transmission to the central processor after a high-speed computing. The processor instructs orders and the drive motor output the appropriate torque.
8、So the car will forward or backward acceleration produced to achieve the effect of the car homeostasis. Based on the inspection and sorting of domestic and foreign research information about the balanced car, under the premise of the experimental platform of balanced car and the choice of the most a
9、ppropriate device, half-bridge driver, FET and other electronic components to design the main two-wheeled self -balancing vehicle drive circuit system, we complete two rounds of self- control hardware to build a balanced vehicle drive system . After the entire hardware system is created, each module
10、 can achieve coordination work. Through gyroscopes, accelerometers, angle sensors transmit signals, and using PID control strategy it accurate PWM wave output, MSP430 microcontroller realize to drive DC motor drive system. So that the car can move forward, backward, acceleration, deceleration, turni
11、ng and the basic operation of a simple series . Keywords： balanced car； drive circuit； MSP430 microcontroller VII 江苏科技大学本科毕业设计（论文 ) 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 两轮平衡车的研究意义 . 1 1.2 两轮平衡车的发展历史和研究现状 . 1 1.2.1 国外研究成果 . 1 1.2.2 国内研究成果 . 3 1.3 本论文的主要工作 . 4 第二章 平衡车驱动系统方案的设计 . 6 2.1 平衡车电机拖动 . 6 2.2 平衡车电机驱动 . 6 2.2.1
12、直流有刷电机工作原理 . 6 2.2.2 直流有刷电机调速 . 7 2.3 平衡车蓄电池 . 9 2.4 平衡车主控板电流保护 . 9 2.5 单片机选型 . 10 第三章 平衡车驱动系统的硬件设计 . 13 3.1 平衡车电源电路 . 13 3.1.1 逻辑 IC 及陀螺仪供电电路 . 13 3.1.2 单片机供电电路 . 14 3.1.3 半桥驱动器供电电路 . 14 3.2 平衡车单片机外围电路 . 15 3.2.1 电源电路 . 16 3.2.2 晶振电路 . 17 3.2.3 复位电路 . 18 3.2.4 指示灯反馈电路 . 18 3.2.5 锂电池电压检测电路 . 20 3.3
13、平衡车电流保护电路 . 20 3.4 平衡车电机驱动电路 . 22 VIII 江苏科技大学本科毕业设计（论文 ) 3.4.1 MOS 管 . 22 3.4.2 半桥驱动器电路 . 23 3.4.3 逻辑电路 . 24 3.5 电流传感器 . 25 3.6 小结 . 26 第四章 平衡车驱动系统的程序设计 . 28 4.1 初始化程序 . 28 4.2 电机驱动程序 . 30 4.3 主处理程序 . 31 第五章 平衡车驱动系统实验测试 . 32 5.1 驱动系统实验平台 . 32 5.2 电源模块测试 . 32 5.3 电机输出端测试 . 34 5.4 小结 . 36 结论与展望 . 37 致
14、 谢 . 38 参考文献 . 39 附录 A . 40 附录 B . 41 IX 第一章 绪论 1.1 两轮平衡车的研究意义 近年来，随着城镇化步伐的加快，交通变得拥堵、空气污染也愈来愈严重，环保轻型车的诞生显得更为迫切。两轮平衡车的设计理念就是在这样的一个背景下提出来的。两轮平衡车车体是一个非常不稳定的两轮交通工具，它与传统的两轮电瓶车车轮前后排列方式不同，采用两轮并排排列的方式，使其能够直立移动，大大减少了占地面积。具有体积小，移动灵活，零转弯半径的特点，它在各个领域都有着广泛的应用前景。另外，这种平衡车的电机驱动功率小，大大降低了能耗，为电池长时间供电提供了良好的保障。 作为交通工具，外
15、观上简约时尚，既可以作为平时上下班的 短途交通工具。也可以作为平时锻炼出游的娱乐工具。正是其具有体积小、运动灵活、转弯半径小的特点，为研发未来机器人在复杂环境中快捷灵活的执行任务提供了一种新思路。因为它既具有理论研究意义又有实际使用价值，所以两轮子平很小车的研究近十年来引起了大量机器人技术实验室的广泛关注。 1.2 两轮平衡车的发展历史和研究现状 在两轮自平衡小车的研究领域，美国、瑞士和日本等国家投入的研究比较多，而 且达到了一个很高的水准，取得了不少的研究成果。目前国内对于这方面的研究还比 较少，以下分别介绍一些国内外的研究成果。 1.2.1 国外研究成果 在两轮自平衡小车的研究领域方面，国
16、外的专家以及爱好者已经取得了相当多的成果。 图 1-1 所示的 JOE 机器人是由瑞士联邦工业大学工业电子实验室的研究人员基于倒立摆控制原理的基础上研制的，利用的微控制器是 DSP 单片机，并可以进行远程控制操作。 JOE 机器人的最大移动速度可以达到 1.51m/s,超过了人类正常的行走速度。它由车架上方的重物模拟实际中的驾驶员，能在恶劣的环境中移动并且保持平衡。 1 江苏科技大学本科毕业设计（论文 ) 图 1-1 JOE 机器人 由美国科学家 David P.Anderson 研发的两轮自平衡机器人 Nbot，是基于倒立摆的 小型两轮自平衡车的模型，是由 HC11 robort contr
17、oller 进行控制的，其外观图如图 1-2 所示。 图 1-2 Nbot 2002 年初 , 美国发明家迪安 卡门将新发明的一种被称为将对未来人类旅游出行 方式产生革命性影响的自动平衡滑行设备 -“Segway 人类运输机 ”-公诸于众，其外 观如图 1-3 所示。 “Segway 人类运输机 ”是一个更为实用、成熟以及商业化的两轮平 衡车版本。他可以承载站在平衡车平台上的驾驶者，并在保持平衡的状态下可以在多 种复杂的路面上迅速平稳地行驶。它使用了五个陀螺仪和一个收集其他角度传感器的 集成器，可以在各种路面条件下来保持自身的直立状态。 2 江苏科技大学本科毕业设计（论文 ) 图 1-3 SE
18、GWAY 人类运输机 1.2.2 国内研究成果 我们国家在两轮自平衡小车的研究方面也取得了一系列的成果。 2003 年，台湾国立中央大学电机工程研究所研发出了一种两轮自平衡机器人， 如图 1-4 所示。图 1-4 中的机器人宽 500mm，高 440mm，其主控芯片采用的是 DSP2812， 主频可达 150MHz，传感器采用的是倾角计和陀螺仪。其顶端还带有一块液晶显示屏， 实时反映机器人所处的运动状态。 图 1-4 两轮自平衡机器人 2004 年中国科学技术大学，丁学明、杨兴明等研究人员对移动式倒立摆的运动控制问题进行了相关深入的研究。通过建立 Lagrange 方程确立了两轮自平衡机器人的
19、动力学模型，通过模糊规则和遗传算法 3对电机转矩的控制来达到机器人的平衡。 2012 年 9 月 30 日，中国南京国际车展上亮相的 Robin 智能平衡车 为徒步观赏豪 车的观众带来了专属的便利。如图 1-5 所示。这款由易步科技研发的平衡车，投影面 积与人的肩宽相仿，总重量不超过 20kg，便于出门携带，在马路上行驶灵活便捷， 3 江苏科技大学本科毕业设计（论文 ) 完全依靠身体重力的平衡来控制行驶的速度与方向。 Robin 智能平衡车凭借锂电池提 供行车动力，充电 3 小时可续航 20 公里。在充满电的状态下，驾驶 Robin 智能平衡 车足以在 7 万平方米的展会上观赏各路名车，同时又
20、缓解了徒步逛展会的劳累。 Robin 智能平衡车第二代 Robin-M1S 还能通过安卓系统手机客户端进行自动平衡遥控控制， 并且可以直接查看其自身的运行参数。 图 1-5 Robin 智能平衡车 图 1-6 独轮平衡车 最近在大学校园里，流行一种独轮平衡车，外观小巧时尚，为大学生上下课和外 出购物提供了不少方便。如图 1-6 所示。它的工作原理和两轮平衡车的工作原理大致 相仿，但是驾驶难度要高一些。 1.3 本论文的主要工作 本文的主要研究课题是两轮平衡车的驱动系统设计及制作，通过深入学习和比对 国内外对这个领域研究的相关资料上，初步设计出了一种可以载人的两轮平衡车的驱 动系统。因此，本文将
21、会在以下几个方面展开研究： (1) 综合分析国内外现有两轮平衡机器人研究领路的成果，并结合两轮平衡车的的特点，初步拟定出两轮平衡车的直流电机驱动方案。 (2) 根据两轮平衡车在实际环境中的应用，并结合拟定的直流电机驱动方案，计算出驱动电路中的一些相关参数。完成驱动系统中电子元器件的选用工作。 (3) 对拟定的直流电机驱动方案进行修改和完善，并结合选用电子元器件的实际尺寸，完成 PCB 电路图的绘制，然后将 PCB 图发厂实现 PCB 电路板的打样。 4 江苏科技大学本科毕业设计（论文 ) (4) 将选用的电子元器件正确地焊接在设计的 PCB 电路板上，完成两轮平衡车驱动系统驱动电路板的的制作。 (5) 将制作好的平衡车驱动系统驱动电路板进行实验调试，保证各个电路模块能够正常协调工作，实现小车驱动系统能够正常运行，完成两轮自平衡小车驱动系统的设计与制作。 5
