龔亞輝，何秋生，張　森，侯趙磊，楊海旭

(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

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多電源供電的兩輪直立智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

龔亞輝，何秋生，張森，侯趙磊，楊海旭

(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

摘要：設(shè)計(jì)了兩輪循跡自平衡智能小車系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電池和蓄電池聯(lián)合供電系統(tǒng)為智能小車供電。系統(tǒng)采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MK60單片機(jī)作為控制單元，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，計(jì)算和傳送。慣性測(cè)量單元采用單軸陀螺儀ENC-03和三軸加速度計(jì)MMA7361配合使用，利用線陣CCD實(shí)現(xiàn)智能車的循跡功能。該智能車以太陽(yáng)能板和蓄電池聯(lián)合供電以達(dá)到節(jié)能減排的目的。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能全面，運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能環(huán)保。

關(guān)鍵詞：MK60單片機(jī)；太陽(yáng)能電池板；ENC-03；MMA7361

隨著科技的發(fā)展，工業(yè)智能化水平越來越高，兩輪自平衡電動(dòng)車以節(jié)能環(huán)保、靈活便利等諸多優(yōu)點(diǎn)得到廣泛關(guān)注和研究。兩輪自平衡小車是一個(gè)高階次、強(qiáng)耦合、多變量、不穩(wěn)定的非線性系統(tǒng)[1]。兩輪平衡車系統(tǒng)可以分解為直立、行走、轉(zhuǎn)彎三方面的控制過程，三者相互糅合達(dá)到控制平衡車穩(wěn)定運(yùn)行的目的。太陽(yáng)能汽車是以太陽(yáng)能為能源來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的汽車。比較傳統(tǒng)能源汽車，太陽(yáng)能汽車無污染，因而太陽(yáng)能汽車已成為當(dāng)今汽車行業(yè)的發(fā)展方向[2]。

本文介紹了一種多電源的兩輪循跡自平衡小車的實(shí)現(xiàn)方案。通過陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)得的角度信息互補(bǔ)濾波來跟蹤車體實(shí)時(shí)傾角，采用線性CCD傳感器檢測(cè)路徑信息，測(cè)速編碼器測(cè)量小車速度。采用經(jīng)典數(shù)字PID算法控制車體的直立、速度和方向。本文針對(duì)自平衡硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)以及整車電路設(shè)計(jì)等方面作了深入研究。

1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件部分主要包括循跡電路、測(cè)速電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、穩(wěn)壓電路和顯示電路[3]。兩輪平衡車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1　智能車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

系統(tǒng)采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MK60單片機(jī)作為控制單元，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，計(jì)算和傳送。根據(jù)對(duì)資料的分析，以及對(duì)性價(jià)比的衡量，慣性測(cè)量單元采用單軸陀螺儀ENC-03和三軸加速度計(jì)MMA7361配合使用。兩輪智能車系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2　智能車系統(tǒng)框圖

2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、線性CCD模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)速模塊、陀螺儀和加速度計(jì)模塊、電源模塊等。線性CCD模塊檢測(cè)賽道兩邊的黑線，通過陀螺儀和加速度計(jì)配合檢測(cè)車身姿態(tài)，編碼器檢測(cè)車輪速度。系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)編碼器e6a2-cw3e作為測(cè)速元件，分辨率為200P/R，精度上滿足智能車速度檢測(cè)要求[4，5]。

2.1車身傾角檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)電路分為兩部分：陀螺儀信號(hào)采集和加速度計(jì)信號(hào)采集。陀螺儀輸出模擬信號(hào)，加速度計(jì)輸出脈沖信號(hào)。單片機(jī)對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行AD采樣，對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)濾波處理并計(jì)算姿態(tài)角度，經(jīng)串口將車體姿態(tài)角度顯示在上位機(jī)上，同時(shí)由姿態(tài)角信息計(jì)算電壓控制量驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)車體平衡。陀螺儀和加速度計(jì)的接口電路如圖3所示。

圖3　陀螺儀和加速度計(jì)的接口電路

2.2循跡模塊設(shè)計(jì)

路徑檢測(cè)模塊采用128個(gè)線性排列的TSL1401線性CCD傳感器模塊。線性CCD傳感器由眾多的光電器件組成陣列，可將照射到表面的光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。其成像是一種矩陣掃描過程，當(dāng)景物光照射到CCD表面時(shí)，矩陣高速開關(guān)電路逐行逐點(diǎn)地將每點(diǎn)的電信號(hào)按順序輸出，因此可以根據(jù)接收端接收到反射光線的強(qiáng)弱來判斷是黑線還是白線。兩輪智能車使用兩個(gè)線性CCD傳感器進(jìn)行近瞻與遠(yuǎn)瞻相結(jié)合的路徑識(shí)別策略。單片機(jī)根據(jù)檢測(cè)到的黑線白線信息來實(shí)時(shí)調(diào)整智能車行走方向使智能車能沿著正確路徑行走。圖4是線性CCD接線端口電路。

圖4　線性CCD接線端口電路

2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

智能車采用HIP4082作為驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，HIP4082有靈活的輸入?yún)f(xié)議，可驅(qū)動(dòng)每種可能的開關(guān)組合。同時(shí)用戶可以避免直通保護(hù)用于開關(guān)磁阻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。通過IO端口的PWM輸出來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。一路電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

圖5　電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路

2.4電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊以7.5 V的鎳鎘電池作為系統(tǒng)總電源，4塊6 V太陽(yáng)能板并聯(lián)為電池充電如圖6(a)所示。太陽(yáng)能電池組光線充足時(shí)最大輸出6 V電壓，光線不足時(shí)輸出電壓隨著光線的變?nèi)醵冃?，充電能力也隨之下降。7.5 V電源電壓接入驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，然后經(jīng)圖6(b)所示的降壓電路將電壓降為5 V為最小系統(tǒng)供電。

(a) 充電電路

(b) 降壓電路

3兩輪智能車系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

兩輪智能車實(shí)物圖如圖7所示。經(jīng)多次測(cè)試可以看出兩輪智能車能夠穩(wěn)定地按照設(shè)定黑色軌跡運(yùn)動(dòng)，能在誤差允許范圍內(nèi)測(cè)得速度并顯示。直行時(shí)速度能穩(wěn)定在1.6 m/s；彎道速度能達(dá)到1.5 m/s。經(jīng)過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)智能車CCD攝像頭遠(yuǎn)瞻距離100 cm，近瞻距離50 cm進(jìn)行路徑識(shí)別效果最佳，所以通過對(duì)CCD攝像頭前瞻角度的調(diào)節(jié)使得路徑標(biāo)識(shí)線距離智能車100 cm內(nèi)被檢測(cè)到。

圖7　兩輪自平衡循跡智能車實(shí)物圖

4結(jié)論

該兩輪直立智能車能穩(wěn)定直立且抗干擾能力強(qiáng)，可以按照預(yù)設(shè)的軌跡和速度平穩(wěn)行駛。該智能車系統(tǒng)可用于智能代步車以及智能機(jī)器人。

參考文獻(xiàn)

[1]王俊，許林，岳東，等.基于CCD的兩輪自平衡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù),2013(8):179-182.

[2]徐開蕓，韋樹成，汪木蘭，等.基于AVR單片機(jī)的太陽(yáng)能智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2010(1):141-143.

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The System Design of Two Rounds of Self-balancing Intelligent Vehicle with Multi Power Supply

Gong Yahui, He Qiusheng, Zhang Sen, Hou Zhaolei, Yang Haixu

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,TaiyuanUniversityofScience&Technology,TaiyuanShanxi030024,China)

Abstract:An intelligent vehicle with automatic tracking and self-balancing is designed by this paper. A solar cells and battery power system is designed to supply the vehicle power. The system uses MK60 as the core of CPU to calculate and transmit data which is collected from the sensors. The inertial measurement unit is composed of single-axis gyroscope ENC-03 and three-axis accelerometer MMA7361. Linear CCD is used to make the automatic tracking of intelligent vehicle. The intelligent vehicle uses solar panel to provide power that can achieve the goal of energy conservation and emissions reduction. The system is with simple structure, full function, stable operation, and energy conservation and environmental protection.

Key words:MK60 microcontroller; solar panels; ENC-03; MMA7361

中圖分類號(hào)：TP212.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)01- 0031- 02

作者簡(jiǎn)介：龔亞輝(1994- )，男，河南鞏義人，大學(xué)本科，研究方向：自動(dòng)控制。

基金項(xiàng)目：太原科技大學(xué)2015年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(No.xj2015043)；2015年山西省高等學(xué)校教學(xué)改革項(xiàng)目(No.78)

收稿日期：2015-10-27