趙曜　龔見素　張雨涵

摘 要：本文對一種可以自主循跡的高穩(wěn)定性自平衡車進行了硬件設(shè)計。系統(tǒng)綜合運用自動控制、圖像識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機、機械與汽車等多學(xué)科知識，在規(guī)定的汽車模型平臺上，使用32位ARM芯片作為主控制器，通過研究制作電機驅(qū)動模塊、角度及圖像傳感器，制作一個能夠自主識別道路和循跡的高適應(yīng)性自平衡小車。

關(guān)鍵詞：自平衡；傳感；硬件設(shè)計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.244

0 引言

本系統(tǒng)綜合運用自動控制、圖像識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機、機械與汽車等多學(xué)科知識，在規(guī)定的汽車模型平臺上，使用32位ARM芯片作為主控制器，通過研究制作電機驅(qū)動模塊、角度及圖像傳感器，制作一個能夠自主識別道路和循跡的高適應(yīng)性自平衡小車。該系統(tǒng)主要由電源穩(wěn)壓模塊、直流電機驅(qū)動模塊、賽道信息識別模塊、速度檢測模塊、傾角檢測模塊、oled顯示模塊和串口調(diào)試模塊等組成，通過后期編寫相應(yīng)控制程序以完成直立控制、速度控制、方向控制三大任務(wù)。

1 系統(tǒng)總體硬件組成

系統(tǒng)硬件部分主要由基于Kinetis系列微處理器的控制模塊、穩(wěn)壓模塊、角度傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊、測速模塊、賽道信息采集模塊、人機交互模塊等模塊組成。通過單片機的內(nèi)部AD采集各個傳感器的信號，有控制器進行濾波和信號處理，對車身位置和當(dāng)前的賽道環(huán)境進行識別，最后通過一系列控制算法將控制量送給車模兩個電機，以完成系統(tǒng)的所有任務(wù)。

2 主控芯片簡介

K60是Kinetis K系列的子系列，具有全功能USB、以太網(wǎng)、硬件加密和篡改檢測等功能，具有豐富的通信、模擬、定時和控制外設(shè)，同時還包括單精度浮點運算單元、NAND閃存控制器和DRAM控制器。

3 系統(tǒng)各模塊的設(shè)計

（1）穩(wěn)壓電源模塊。穩(wěn)定的電源的性能直接影響到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此在設(shè)計平衡車系統(tǒng)時為各個模塊配置了高性能的電源并且在電路設(shè)計上大幅度避免了不同模塊之間的干擾，保證了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。系統(tǒng)的大多數(shù)器件均為5V供電，單片機最小系統(tǒng)需要3.3V低壓。1）5V 穩(wěn)壓電路。5V電源模塊用于為傳感器模塊、液晶顯示模塊和圖像采集等模塊供電。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，由于在電機驅(qū)動過程中電池會產(chǎn)生較大壓降，因此為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，必須保證電源模塊的穩(wěn)定性。為此最終我們選用了低壓差穩(wěn)壓芯片AMS1117-5.0為5V工作的模塊供電；2）3.3V穩(wěn)壓電路。K60最小系統(tǒng)為3.3V供電。微控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，因此其電源的穩(wěn)定性至關(guān)重要，我們采用分級穩(wěn)壓方案，采用之前AMS1117-5.0產(chǎn)生的5V電壓信號輸入到AMS1117-3.3芯片從而產(chǎn)生3.3V電源。該電源芯片具有紋波小，精度高，低壓差的特點，內(nèi)部集成過流和過熱保護功能，且功耗極低，工作穩(wěn)定性高。

（2）傾角測量模塊。1）加速度傳感器。本系統(tǒng)最終選用三軸MMA7260芯片作為加速度測量器件，可同時輸出三軸模擬加速度信號，靈敏度高，成本低，同時還具有功耗低、低溫漂、工作范圍廣等特點；2）角速度傳感器-陀螺儀。本系統(tǒng)選用ENC-03模擬陀螺儀來測量車體旋轉(zhuǎn)時的角速度。陀螺儀輸出信相對旋轉(zhuǎn)軸的角速度信號，通過對角速度時間積分可得到車體旋轉(zhuǎn)過的角度值，配合MMA7260器件消除溫漂積分即可準確獲得小車的傾斜角度。

（3）賽道信息采集模塊。系統(tǒng)采用TSL1401線性CCD傳感器對調(diào)試賽道進行信息采集，一定程度濾波后反饋給中央處理單元，由中央處理元對采集數(shù)據(jù)進行處理得到欲得到的賽道信息從而進行下一步的閉環(huán)控制。

（4）電機驅(qū)動模塊。本系統(tǒng)電機驅(qū)動電路采用BTN7971B芯片搭建，將2塊BTN7971B半橋驅(qū)動芯片組成一個全橋電路。BTN7971B是一款集成芯片，最高電流可達幾十安培，電磁干擾極小，完全針對電機驅(qū)動設(shè)計。同時因為該芯片內(nèi)部的驅(qū)動控制集成電路支持PWM信號輸入，方便與微控制器接口連接，而且該驅(qū)動芯片還具有過壓、欠壓、過熱、過流和短路保護等功能。其全橋結(jié)構(gòu)可滿足電機雙向旋轉(zhuǎn)控制。系統(tǒng)利用微控制器輸出PWM信號通過隔離芯片74HC244來控制驅(qū)動芯片，改變PWM波的占空比即可實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

（5）雙輪測速模塊。本系統(tǒng)車速檢測單元采用200線數(shù)的歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器作為車速檢測元件，其硬件電路簡單，結(jié)構(gòu)輕巧、信號采集速度快、精度高，完全滿足本系統(tǒng)控制要求。編碼器的工作電壓為范圍在5—12伏之間，通過器件的旋轉(zhuǎn)可獲得一系列脈沖，從而達到測速目的。

4 系統(tǒng)主要傳感器

最終采用的傳感器為：CCD光電傳感器×1；陀螺儀×2；加速度計×1；測速編碼器×2。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)使用32位ARM芯片作為主控制器，制作一個能夠自主識別道路和循跡的高適應(yīng)性自平衡小車。硬件是基礎(chǔ)，我們首先把相關(guān)的硬件電路做穩(wěn)定。拿到小車第一步是設(shè)計其機械結(jié)構(gòu)，之后在進行電路板PCB的設(shè)計，經(jīng)過測試，電路板能夠穩(wěn)定運行，電機的驅(qū)動能力較強。這些穩(wěn)定運行的模塊，需要我們相關(guān)經(jīng)驗的積累和前期做好知識的儲備。

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作者簡介：趙曜（1995-）男，山東人，本科，研究方向：電力系統(tǒng)自動化。