2015年陇东学院第十六届“挑战杯”
课外学术科技作品竞赛
双轮自平衡小车的设计与制作
学院：电气工程学院
班级：12级自动化本科班
姓名：周永
2015年12月8日
双轮自平衡小车的设计与制作
摘要：双轮自平衡小车是一个集动态决策和规划、环境感知、行为控制和执行等多种功能于一体的综合复杂系统，其关键是在解决自平衡的同时，还能够适应在各种环境下的控制任务。

通过运用外加速度传感器、角速度传感器等，可以实现小车的平衡自主前进。

双轮自平衡小车，涉及到传感器的驱动，数据的处理，角度的计算，电机的控制等，内容比较丰富，可作为实践自动控制原理及单片机技术的一个不错选择，是自我锻炼的绝好选题，对于以后制作此方面的民用产品也有很大的启迪作用。

关键词：双轮；自平衡；控制；传感器
1.引言
目前市场上的各种电子产品及家电机器人等行业越来越多地用到了智能控制技术。

可以说，当今社会是一个智能型社会。

各方各面都在竭尽全力向着智能方向发展，不论是人工智能还是联网智能，都在突出一个智能。

智能已经覆盖了我们生活的方方面面，我们正在被智能的概念所潜移默化。

不论是智能手机、玩具还是机器人，都已经成了我们生活的一部分。

正是在这种情况下，智能交通的发展也发生了翻天覆地的变化，从飞车到自动驾驶汽车，无不在向我们说明，现代人已经对智能型交通工具期待已久了。

作为最新科技产品的一个代表，最近市场上新出现的独轮车越来越受到了消费者的青睐。

可以想象，最近几年内此类产品将会在市场上争得一席之地。

比起独轮车，两轮车具有同样的购买热度，但是设计难度却没那么高，所以我将选择了从双轮车开始玩起智能交通工具。

2设计方案
方案一：用51单片机作为主控制器,用MPU6050模块采集姿态数据，用光电编码器对5V直流电机进行编码，显示模块采用LCD12864液晶屏，电源采用三端稳压方案，用红外遥控控制小车行走。

本设计简单廉价，然而由于主控的反应相对缓慢，很难满足设计要求。

方案二：采用STM32单片机作主控制器，仍然用MPU6050模块作姿态数据采集，而电机采用二手的型号为16G214E MR19的具有高精度霍尔编码器的原价2000+的瑞士进口12V直流电机，显示模块采用了更轻薄更清晰更小巧的
OLED 屏，电源采用12V 航模电池，遥控系统选用低功耗的蓝牙，方便实用。

此方案高效可靠，价格也不是特别高，很适合这样的实践项目。

综上分析，总体方案设计采用方案二。

3系统硬件设计
3.1系统总体框图
系统的总体设计方案主要由蓝牙遥控模块、STM32最小系统模块、MPU6050姿态采集模块、OLED 显示模块、蔽障模块、编码电机模块，电源模块七部分构成，如图1所示。

图1系统总体框图3.2电源电路设计
在电源这一块，主要由可充电的12V 航模锂电池来供电。

通过可防止插反的T 型接头经大电流开关接入电源电路。

首先，从大电流开关过来的电流设置了一个电压检测电路，主要是以分压的形式完成的，其目的是实时检测电池电压并显示在OLED 屏上，当电压低于某个值时提示人去充电，而不至于过度放电导致损坏电池。

然后，经LM2596T-5V 降压后稳压在5V，这个转换出来的电压主要用于传统传感器及电机驱动。

最后，在5V 的基础上又经AMS1117三端稳压为3.3V，这个3.3V 主要是给低功耗元器件供电的，比如说STM32、蓝牙、无线、电机编码器、OLED 与CCD 等。

为了防止意外短路，特意在3.3V 电路中加入了500mA 6V 的保险，即保证了低功耗元器件的安全。

如图2所示。

手机蓝牙遥控
电源模块
STM32最小系统
MPU6050姿态采集模块编码电机模块蔽障模块
OLED 显示模块
图2电源电路
3.3系统控制设计
系统控制电路由单片机最小系统STM32F103C8T6、MPU6050电路、电机编码器接口电路、电机驱动电路、传感器接口电路、OLED显示电路等六部分组成，下面将对它们分别进行介绍。

图3单片机最小系统
单片机最小系统STM32F103C8T6：STM32F103C8T6是32位集成嵌入式微控制器，速度达72MHz；拥有37个输入/输出、10个12位A/D转换器、20KB RAM 及64KB Flash；低功耗2.0V-3.6V供电电压；还具有更多的外围设备：DMA，电机控制PWM，PWM，温度传感器等；它是一个很具性价比的中端配置的主控，今年来越来越受到广大单片机爱好者的追捧，在本设计中主要负责姿态解算及相关控制。

外围电路如图3所示。

图4MPU6050电路
MPU6050电路:MPU6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间。

它整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理DMP硬件加速引擎，由主要I2C端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的9轴融合演算技术。

将它运用在本设计系统中主要是需要通过它来获取小车的姿态数据，进而让主控姿态解算后将控制信号传送给电机驱动电路控制电机发出相应动作，外围电路如图4所示。

图5电机编码器接口电路
电机编码器接口电路：电机编码器是安装在电机上用来测量磁极位置和电机转角及转速的一种传感器，从物理介质的不同来分，电机编码器可以分为光电编码器和磁电编码器。

本设计中所采用的编码器嵌入在电机内部，是精度超高的一种，具体电路如图5所示。

图6电机驱动电路
电机驱动电路：本设计中使用的TB6612FNG是东芝半导体公司生产的一款直流电机驱动器件，它具有大电流MOSFET-H桥结构，双通道电路输出，可同时驱动2个直流电机，它具有很高的集成度，同时能提供足够的输出能力，运行
性能和能耗方面也具有优势，因此在集成化、小型化的电机控制系统中，它可以作为理想的电机驱动器件，外围电路如图6所示。

图7传感器接口电路
传感器接口电路：本设计预设了两种传感器接口，即CCD接口及超声波接口，它们都是用来蔽障的，可根据实际情况任选一种即可，电路连接如图7所示。

图8OLED显示电路
OLED显示电路：OLED显示技术与传统的LCD显示方式不同，无需背光灯，具有自发光的特性,采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光。

而且OLED显示屏幕可以做得更轻更薄，可视角度更大，并且能够显著节省电能，本设计的具体电路连接如图8所示。

3.4无线遥控器设计
本设计中预设了无线模块接口及蓝牙接口，均可用来接收不同的遥控信号来控制小车，其连接电路图分别如图9、图10所示。

图9无线模块接口
图10蓝牙电路
4.系统测试与误差分析
4.1测试
测试工具：Android手机，MiniBalance V3.5。

测试环境：新食堂外广场及其斜坡人行道。

经过连接蓝牙APP遥控测试表明，该双轮自平衡两轮车已经具备了基本的自平衡站立、行走和负载行走，以及自主蔽障和设置程序定形跑圈及绕8字等功能，CCD循迹待定。

4.2误差分析
在绕8字的途中会发现随着不断地循环，位置有些偏差，经多次测试证实，产生该问题的主要原因是二手电机内编码盘可能有些磨损导致误差，但误差较小，通过改善程序可以得到改善，通过总结得出，符合题目要求，因此可得此方案成立。

5结束语
随着科学技术的发展，交通工具的智能化、网络化势在必行。

对于一个控制精度高、可玩性强、价格合理的双轮自平衡车而言，这确实是一个不错的选择方向，未来类似的发展空间也将越来越大。

本文给出了一个高精度廉价易控双轮自平衡小车的解决方案，初步设计了能够用手机遥控控制，能够自主蔽障及可编程定形行走的双轮自平衡小车,它也可以被应用到将来的餐厅等场合做服务业机器人使用。

参考文献：
[1]刘火良，杨森.STM32库开发实战指南.机械工业出版社，2015年4月
[2]第七届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛电磁组直立行车参考设计方案（版本2.0）
作品附图：。