林 巍，馬雙寶，董玉婕

基于Arduino UNO兩輪平衡車(chē)的研制

林 巍，馬雙寶*，董玉婕

（武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430200）

隨著電子技術(shù)的發(fā)展和提高，移動(dòng)機(jī)器人作為新興技術(shù)的體現(xiàn)，在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。為了達(dá)到手動(dòng)無(wú)線操控小車(chē)運(yùn)動(dòng)的目的，本課題組研制出基于Arduino UNO兩輪平衡車(chē)，該系統(tǒng)以Arduino UNO為主控制器，通過(guò)紅外遙控實(shí)現(xiàn)人機(jī)通信。遙控器向控制器發(fā)送命令，接到命令后，控制器執(zhí)行相關(guān)程序，控制車(chē)輛處于前、后、左、右不同狀態(tài)，始終保持車(chē)輛的平衡。硬件包括紅外遙控模塊、陀螺儀模塊、電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)速模塊、顯示模塊、Arduino uno主板模塊。軟件部分對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了編程和相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)后，再進(jìn)行了調(diào)試，最后完成了各個(gè)小車(chē)狀態(tài)的控制。

Arduino UNO；兩輪自平衡機(jī)器人；智能制造；輪式移動(dòng)機(jī)器人

0 引言

二輪平衡小車(chē)擁有得天獨(dú)厚的外形優(yōu)勢(shì)和使用特點(diǎn)，使其具有很高的研究?jī)r(jià)值[1]。隨著社會(huì)的發(fā)展以及智能制造水平的提高。近年來(lái)，兩輪平衡車(chē)的研發(fā)速度逐步加快，涵蓋了很多領(lǐng)域，與此同時(shí)，由于平衡小車(chē)通常執(zhí)行較為復(fù)雜的任務(wù)，所以對(duì)其適應(yīng)環(huán)境的能力要求逐漸提高。例如，在條件惡劣的地方，車(chē)流量巨大，交通無(wú)法正常通行的情形，或者彎道較多的場(chǎng)所，小車(chē)如何能在較短時(shí)間內(nèi)獲取有效正確的信息并能夠獨(dú)立處理執(zhí)行任務(wù)已經(jīng)成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。兩輪平衡小車(chē)概念的提出，迎合了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，可以完美解決在復(fù)雜環(huán)境下小車(chē)所遇到的問(wèn)題，再加上紅外遙控技術(shù)以及無(wú)線通信技術(shù)，可以精準(zhǔn)的遠(yuǎn)程遙控小車(chē)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，未來(lái)在交通管控、抗險(xiǎn)救災(zāi)、醫(yī)療衛(wèi)生甚至執(zhí)行軍事行動(dòng)上都會(huì)有非常廣泛的發(fā)展空間。

1 控制系統(tǒng)

本文通過(guò)對(duì)小車(chē)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、紅外遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、Arduino uno主板模塊設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計(jì)完成了基于Arduino uno的兩輪平衡小車(chē)的研制[2]。本系統(tǒng)采用Arduino uno主板微控制器作為系統(tǒng)的主控制芯片，以MPU6050作為車(chē)體姿態(tài)的傳感器并輸出車(chē)體的加速度及角速度，經(jīng)過(guò)大量的PID計(jì)算和實(shí)驗(yàn)調(diào)試獲得了使車(chē)體穩(wěn)定運(yùn)行的角速度和加速度。利用TB6612FNG驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制H橋不同輸入的切換，可改變小車(chē)的運(yùn)動(dòng)方向達(dá)到前后左右旋轉(zhuǎn)及剎車(chē)，使用無(wú)線遙控器與小車(chē)系統(tǒng)通信控制直立行走及轉(zhuǎn)彎[3]。以下就是平衡小車(chē)主要的一些方向和總體設(shè)計(jì)，以及流程完成所需要的步驟。流程及步驟如圖1所示。

圖1 流程及步驟圖

1.1 Arduino uno主板模塊

Arduino uno是一個(gè)開(kāi)源的硬件平臺(tái)。它可以用來(lái)開(kāi)發(fā)交互式產(chǎn)品?？梢宰x取大量開(kāi)關(guān)信號(hào)和傳感器來(lái)控制物理設(shè)備，如各種照明設(shè)備、顯示器和電機(jī)。相對(duì)于傳統(tǒng)的Arduino Duemilanove和Arduino Mega1280，Arduino UNO將USB轉(zhuǎn)換為串行端口組件，并用ATMega8U2微控制器取代原來(lái)的USB到串行端口芯片F(xiàn)T232RL3232[4]，這使得下載速度更快，更穩(wěn)定。

1.2 紅外遙控模塊

紅外遙控平衡小車(chē)[5]，編程完成后小車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：（1）能夠接受紅外信號(hào)并可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制進(jìn)行認(rèn)證；（2）具有避障功能，當(dāng)紅外探測(cè)儀探測(cè)到前方有障礙物時(shí)能夠及時(shí)避開(kāi)并能夠重新規(guī)劃路線；（3）能夠手動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、停止、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等功能。

紅外遙控平衡小車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)循跡避障功能主要由紅外遙控器，L298 驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及充電鋰電池三部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。其紅外遙控系統(tǒng)的硬件部分由一個(gè)發(fā)射遙控器、接收器、單片機(jī)組成。其中，紅外遙控發(fā)射器的內(nèi)部包括了載波發(fā)射器、指令編碼電路、調(diào)制電路、驅(qū)動(dòng)電路、紅外發(fā)射器電路五個(gè)部分[6]。本次選擇紅外遙控裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)功能，是因?yàn)榧t外遙控技術(shù)成本低，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，具有穩(wěn)定的信息傳輸能力等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 陀螺儀模塊

陀螺儀的工作原理就是一個(gè)物體在運(yùn)動(dòng)或者靜止過(guò)程中，不管外部有沒(méi)有對(duì)其施加作用力，該物體的運(yùn)動(dòng)方向依然保持不變。有很多地方需要一直保持運(yùn)動(dòng)的方向不變，并且將數(shù)據(jù)信號(hào)傳給控制系統(tǒng)，通過(guò)運(yùn)用這個(gè)方法可以保持方向恒定[7]。陀螺儀的組成部件包括了內(nèi)外框架、力矩馬達(dá)、信號(hào)傳感器、同步電機(jī)、三相交流電機(jī)。它的主要特性是它的穩(wěn)定性和進(jìn)動(dòng)性，在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不但可保持平衡，豎直不倒，而且還會(huì)旋轉(zhuǎn)勻速，繞定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)反映出陀螺的穩(wěn)定性和進(jìn)動(dòng)性，如圖2示出了陀螺儀的模型圖，每個(gè)陀螺儀負(fù)責(zé)檢測(cè)相應(yīng)的軸線，也就是轉(zhuǎn)速，檢測(cè)繞各軸的旋轉(zhuǎn)速度。

1.4 電源以及驅(qū)動(dòng)模塊

圖2 陀螺儀模型圖

平衡車(chē)既可以是鋰電池輸入接口，也可以是電源輸入，輸入電壓為12v。使用輸出電壓為12v的LM2596S作為開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器[8]。輸入電壓的范圍處于4.0v～40v之間，轉(zhuǎn)換頻率達(dá)到150KHz，輸出電流為1A，工作溫度在零下25攝氏度到125攝氏度之間。在負(fù)載調(diào)節(jié)的情況下都有很高的提升，穩(wěn)定性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，能夠滿足本次平衡小車(chē)的工作要求。

該驅(qū)動(dòng)模塊具有強(qiáng)勁的驅(qū)動(dòng)能力，發(fā)熱量很低，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠使該系統(tǒng)正常工作?？梢酝ㄟ^(guò)驅(qū)動(dòng)電源部分去電工作，避免穩(wěn)壓芯片損壞，使用外置5v，而且TB6612FNG使用大容量濾波電容，續(xù)流保護(hù)二極管，提高可靠性[9]。內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，一種二相和四相電機(jī)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器。接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)是二個(gè)H橋高電壓大電流驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)程序使用TB6612FNG作為主芯片，電路圖如圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

1.5 電機(jī)及霍爾傳感器測(cè)速碼盤(pán)

本平衡小車(chē)選取了型號(hào)為GB37的 4.3KG/CM 大扭矩直流電機(jī)，該直流電機(jī)具體參數(shù)為：額定電壓12V；減速前轉(zhuǎn)速330rpm；空轉(zhuǎn)電流120ma；功率4.8kw；堵轉(zhuǎn)最大電流1.2A；減速箱長(zhǎng)度22mm。

為了使小車(chē)能夠達(dá)到使用條件并且出色的完成工作任務(wù)，該平衡小車(chē)搭載了霍爾傳感器高精度測(cè)速碼盤(pán)，其包含了16線強(qiáng)磁碼盤(pán)。在A B雙相輸出共同作用下，通過(guò)實(shí)際測(cè)量及計(jì)算可得出車(chē)輪在完整的轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，脈沖數(shù)能夠達(dá)到30*13*2=960個(gè)，單相可以達(dá)到480個(gè)，完全符合平衡小車(chē)的正常工作要求。電機(jī)及霍爾碼盤(pán)如圖4所示。

圖4 電機(jī)及霍爾碼盤(pán)

電機(jī)的工作原理：

電機(jī)的工作原理主要是依據(jù)電磁學(xué)，導(dǎo)體在閉合磁場(chǎng)中做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)隨之會(huì)產(chǎn)生電磁力，導(dǎo)體在電磁力的作用下從而轉(zhuǎn)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)學(xué)公式為:

F=B*i*l （1）

F為電磁力，B為磁場(chǎng)強(qiáng)度，i為電流，l為導(dǎo)體長(zhǎng)度。

在電磁學(xué)理論中中，直流電機(jī)既可以用作電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)著平衡小車(chē)車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶電導(dǎo)體做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電流，又可以成為一部發(fā)電機(jī)為小車(chē)持續(xù)不斷的提供用電。當(dāng)然，讓此系統(tǒng)成為某種特殊設(shè)備，需要限定一定的條件。給系統(tǒng)輸入合適的直流電壓，此電壓將會(huì)加載電機(jī)的電刷之上。此過(guò)程涉及到能量之間的轉(zhuǎn)化，輸入的是電能而輸出的是機(jī)械能，機(jī)械能帶動(dòng)設(shè)備運(yùn)動(dòng)[10]。反之，如若不給電機(jī)系統(tǒng)輸入一定的電壓，電刷在內(nèi)部磁場(chǎng)做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，系統(tǒng)作為電源將電流輸出，作為發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生電能。該過(guò)程稱(chēng)之為可逆原理，可以為系統(tǒng)節(jié)約能源的損耗。原理如圖5所示。

圖5 直流電機(jī)原理圖

1.6 顯示屏模塊

對(duì)于這個(gè)兩輪自平衡機(jī)器人，為了能夠更為直觀的看到小車(chē)的剩余電量、時(shí)間、速度以及轉(zhuǎn)向，我們給平衡小車(chē)搭載了LCD 1602顯示屏。LCD驅(qū)動(dòng)器通過(guò)微處理器的實(shí)時(shí)控制驅(qū)動(dòng)輸出接口重構(gòu)圖像數(shù)據(jù)，然后將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為“0”和“1”編碼序列，可直接用于LCD掃描信息，根據(jù)顯示屏驅(qū)動(dòng)芯片ht1621的時(shí)序，將編碼序列發(fā)送到顯示屏進(jìn)行顯示。

為了使顯示模塊正常工作，其內(nèi)部的設(shè)置流程主要包括 LCD 初始化、控制時(shí)鐘及控制寄存器設(shè)置、數(shù)據(jù)緩沖幀設(shè)置、編碼信號(hào)與時(shí)序處理、分辨率像素等。

2 小車(chē)平衡原理

實(shí)際上平衡小車(chē)就是通過(guò)控制兩個(gè)車(chē)輪的不斷快速轉(zhuǎn)動(dòng)使其處于相對(duì)動(dòng)態(tài)平衡而不會(huì)倒下的智能小車(chē)，它在兩個(gè)車(chē)輪的協(xié)同作用下保持直立并能夠接受指令進(jìn)行前進(jìn)及后退等一系列操作。

平衡機(jī)器人的工作原理也是如此,系統(tǒng)通過(guò)MPU6050的反饋實(shí)現(xiàn)調(diào)整并平衡。這是相對(duì)簡(jiǎn)單的保持直立，因?yàn)槠?chē)有兩個(gè)輪子在地板上，車(chē)身只會(huì)向傾斜一方的車(chē)輪進(jìn)行滾動(dòng)。通過(guò)控制車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)消除掉小車(chē)將要傾斜的姿態(tài)，就可以使小車(chē)在一個(gè)維度中保持平衡[11]。智能平衡小車(chē)的倒立擺水平圖如圖6所示。

圖6 倒立擺水平圖

當(dāng)沒(méi)有對(duì)平衡小車(chē)進(jìn)行控制時(shí)，無(wú)論車(chē)身是有向前或者向后的傾倒趨勢(shì)時(shí)，兩個(gè)車(chē)輪都是保持靜止?fàn)顟B(tài)不動(dòng)的，可以理解為兩個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)和車(chē)身的傾斜是分別獨(dú)立，互不干擾的。當(dāng)平衡小車(chē)處于控制狀態(tài)時(shí)，我們?cè)谥绷顟B(tài)下釋放小車(chē)，小車(chē)這個(gè)時(shí)候就可能會(huì)存在三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的其中一種，當(dāng)內(nèi)部編程算法完全正確時(shí)，小車(chē)就會(huì)保持平衡直立狀態(tài)[12]。小車(chē)三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖如圖7所示。

圖7 小車(chē)三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖

三種類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下及其控制策略如下：

（1）在停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，當(dāng)平衡小車(chē)的重心直接位于電機(jī)軸線的垂直上方時(shí)，小車(chē)將保持平衡直立，不受任何控制，如圖7（a）所示。

（2）在前進(jìn)狀態(tài)時(shí)，當(dāng)小車(chē)的重心直接位于電機(jī)軸線的前方時(shí)，車(chē)輪向前滾動(dòng)，使車(chē)體保持平衡，如圖7（b）所示。

（3）在后退狀態(tài)時(shí)，當(dāng)小車(chē)的重心直接位于電機(jī)軸線的后方時(shí)，車(chē)輪向后滾動(dòng)，使車(chē)體保持平衡，如圖7（c）所示。

因此，小車(chē)能夠保持平衡的方法就是通過(guò)傳感器測(cè)量來(lái)得到平衡小車(chē)車(chē)身與豎直垂直的相對(duì)角度，將相對(duì)角度這個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，然后通過(guò)單片機(jī)計(jì)算處理后，向電機(jī)控制電路發(fā)出指令信號(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向來(lái)帶動(dòng)車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，使車(chē)身保持動(dòng)態(tài)平衡。

所以依照上文所得出的結(jié)論，控制小車(chē)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的關(guān)鍵技術(shù)就在于測(cè)得小車(chē)的傾角和傾角速度。經(jīng)過(guò)多次選型與實(shí)驗(yàn)，最終我們采用集成傳感器陀螺儀- MPU6050來(lái)測(cè)量小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的傾斜角度和傾斜速度[12]。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于SolidWorks具有優(yōu)越的操作性和應(yīng)用廣泛性，所以我們采用它作為本小車(chē)車(chē)身整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的繪制工具。采用SolidWorks建模首先要從整體出發(fā)，計(jì)算該模型需要哪些零部件，隨后研究分析各個(gè)零件的建模，分析各個(gè)零件所具有的特性以及加工要求，明確不同特征之間裝配關(guān)系，確定了創(chuàng)造秩序的特點(diǎn)后，在該整體模型的基礎(chǔ)上，增加工程的特點(diǎn)。利用二維平面繪制的草圖來(lái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、拉伸、掃描、混合等一系列方法從而建立整體三維物理模型。最后將各個(gè)完整的零件模型經(jīng)過(guò)計(jì)算之后，進(jìn)行整體裝配整合得到我們最終所需要的平衡小車(chē)三維立體模型。

在設(shè)計(jì)小車(chē)的整體結(jié)構(gòu)之前，研究了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外各個(gè)平衡機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并總結(jié)成了下面的表1。

表1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)特性總結(jié)表

綜合以上的研究和考量，為了使平衡小車(chē)能夠正常的工作，最終設(shè)計(jì)出了結(jié)構(gòu)質(zhì)心位置可變，倒立擺式的車(chē)身機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)測(cè)量車(chē)身傾斜角度隨之做出平衡調(diào)整。具體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3.2 電機(jī)的選擇

由于本小車(chē)是為了進(jìn)行負(fù)載工作的，考慮到小車(chē)自身的重量以及到時(shí)候所要負(fù)載的一些重量，我們要根據(jù)情況來(lái)選擇合適的電機(jī)，綜合考慮我們選用了型號(hào)為GB37的4.3kg/cm大扭矩直流電機(jī)，電

圖8 整體結(jié)構(gòu)圖

機(jī)根據(jù)功率和轉(zhuǎn)速選定，減速機(jī)根據(jù)減速比和功率選定。以下是電機(jī)載荷的計(jì)算方式。

電機(jī)載荷計(jì)算公式：

P=T*n/9550 （2）

公式中P為功率(kW) ，T為扭矩(N·m)，n為轉(zhuǎn)速(r/min)。

減速比計(jì)算公式：

i=N1/N2 （3）

公式中i為減速比，N1為電機(jī)轉(zhuǎn)速，N2為輸出轉(zhuǎn)速。

電機(jī)尾部搭載雙通道霍爾效應(yīng)編碼器，AB雙路輸出，單路每圈脈沖16CPR,雙路上下一共輸出64CPR，其減速比為30，車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，那么編碼器也相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)30圈，編碼器為16CPR時(shí)，則3016=480脈沖，輪子周長(zhǎng)為65*pi=204mm，則精度204/480=0.425mm。如果把每一路脈沖的上沿和下沿都利用起來(lái)，相當(dāng)于四倍頻16×4=64，此時(shí)精度為204/64/30=0.10625mm。已達(dá)到該系統(tǒng)所需精度，可以做到小車(chē)原地直立。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，該小車(chē)選取了GB37（帶16CPR霍爾效應(yīng)編碼器）。

P=1.732UIcosφ （4）

電機(jī)功率計(jì)算公式：

P= F×v÷60÷η （5）

公式中P為功率（kW），F(xiàn)為牽引力（kN），v為速度（m/min）,η為傳動(dòng)機(jī)械的效率，一般在0.8左右。

P= F×v÷60÷η×k （6）

P=1.732*U*I*cosΦ （7）

功率P與視在功率S的比值稱(chēng)為功率因數(shù)cosφ，即cosφ=P/S。所以，三相電源的線電壓為U，線電流為I，則有S=1.732*UI，I=S/(1.732U)，S=P/cosφ，P=1500W/μ，故導(dǎo)線的最大電流I=1500W/ (1.732U* cosφ*μ) (單位:A)。

3.3 實(shí)物制作

由于充分考慮到兩輪平衡小車(chē)采用的GB37直流電機(jī)的載重能力以及所需成本問(wèn)題，所以在對(duì)車(chē)體框架的設(shè)計(jì)和實(shí)物制作時(shí)的選材排除了最初的鋼制型材和塑料型材，最后再結(jié)合實(shí)際情況選取了亞克力塑料玻璃板作為車(chē)身框架制作的原材料。該亞克力玻璃塑料板的優(yōu)點(diǎn)是便宜、方便加工和拼裝，較輕便并且結(jié)實(shí)牢固。為了減輕小車(chē)的自重，使其車(chē)身架構(gòu)更加緊湊并且保證其發(fā)生碰撞時(shí)的車(chē)身強(qiáng)度，整車(chē)不是包羅萬(wàn)象的外殼，而是框架式結(jié)構(gòu)。

機(jī)身的上下板則是由丙烯酸有機(jī)玻璃切割而成，確保車(chē)身較輕，易于處理且保證車(chē)身強(qiáng)度。另外，在下板的兩側(cè)設(shè)計(jì)了兩個(gè)小孔形通孔,用于將電機(jī)固定在狹窄的空間內(nèi)。最終該平衡小車(chē)的整體尺寸為高25cm、寬8cm、高26cm。

4 整體調(diào)試

首先將各個(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)立調(diào)試，確保每個(gè)模塊能夠正常工作，再將各個(gè)模塊進(jìn)行組裝整合來(lái)聯(lián)合調(diào)試。上電之后，先觀察控制器是否可以控制點(diǎn)擊轉(zhuǎn)動(dòng)，且點(diǎn)擊轉(zhuǎn)動(dòng)與實(shí)際情況是否符合，隨后進(jìn)行小車(chē)的動(dòng)態(tài)調(diào)試。

當(dāng)整車(chē)稍向前傾斜時(shí)，觀察到車(chē)輪有向前運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)；當(dāng)整車(chē)向后傾斜時(shí)，觀察到車(chē)輪有向后運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。串口屏幕實(shí)時(shí)顯示小車(chē)的傾斜角度。則表示控制器的控制邏輯與電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀況相同。隨后為了使小車(chē)能夠達(dá)到不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，需要調(diào)節(jié)PID的各個(gè)參數(shù)來(lái)完成。如圖9為小車(chē)正面實(shí)測(cè)圖，圖10為測(cè)試數(shù)據(jù)折線圖。

圖9 小車(chē)正面實(shí)測(cè)圖

圖10 測(cè)試數(shù)據(jù)折線圖

通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的折線圖可以看出，隨著小車(chē)與地面之間傾角的增加，小車(chē)達(dá)到平衡狀態(tài)所需要的時(shí)間也在增加，當(dāng)小車(chē)與地面的傾角在0°到±30°的范圍內(nèi)時(shí)，小車(chē)最終將達(dá)到平衡狀態(tài)。

5 總結(jié)

本次平衡小車(chē)的系統(tǒng)采用了Arduino UNO為主控制器，共包含了以下各個(gè)模塊：電源模塊為該系統(tǒng)提供了電能，保障著所有模塊能夠正常運(yùn)行；控制器模塊是該系統(tǒng)的核心部分，通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)發(fā)送指令及接收反饋，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的實(shí)時(shí)控制使其維持正常工作；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊放大控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常工作；陀螺儀模塊主要是使該系統(tǒng)無(wú)論在運(yùn)動(dòng)或者靜止過(guò)程中，即使有外力也不會(huì)對(duì)小車(chē)運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生變化；顯示模塊用來(lái)顯示小車(chē)的傾斜角度及其車(chē)況；測(cè)速模塊用于測(cè)量車(chē)速，最終通過(guò)閉環(huán)反饋控制車(chē)速；紅外遙控模塊使小車(chē)和遙控器之間相互通信來(lái)操作小車(chē)達(dá)到不同的運(yùn)行狀態(tài)，最終小車(chē)實(shí)現(xiàn)了在不同狀態(tài)下的自我平衡。

[1] 王鵬. 基于STM32的兩輪自平衡車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 中國(guó)科技縱橫, 2018, (18): 3.

[2] 林忠海. 基于單片機(jī)的兩輪自動(dòng)平衡小車(chē)設(shè)計(jì)[J]. 科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力, 2013, (2): 4.

[3] 劉靜, 肖家寶, 王曉, 等. 兩輪自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)與軟件工程, 2019, (17): 2.

[4] 丁倩雯, 徐紅紅. 基于Arduino UNO的平衡車(chē)設(shè)計(jì)[J]. 西安文理學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2019, 22(01): 53-57.

[5] 陳木桂, 張謙, 黃睿, 等. 一種光電平衡智能車(chē)設(shè)計(jì)[J].教育教學(xué)論壇, 2019, (39): 5.

[6] 李澍源, 馮奇杰, 蘭家祥, 等. 基于超聲波測(cè)距式的自平衡車(chē)控制系統(tǒng)[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件, 2017, (2): 3.

[7] 王宇坤, 陳沃源. 基于PI控制器的兩輪平衡小車(chē)設(shè)計(jì)[J]. 信息記錄材料, 2018, 19(7): 2 .

[8] 熊躍軍, 史明政, 林金勇, 等. 一種兩輪自平衡小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 長(zhǎng)沙大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 30(2):4 .

[9] 楊柳. 兩輪自平衡小車(chē)控制系統(tǒng)探討與分析[J]. 中國(guó)新通信, 2018, 20(19):157.

[10] 夏鵬輝. 兩輪平衡車(chē)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制算法研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2018.

[11] 柯國(guó)松, 陳陽(yáng), 許志文. 兩輪自平衡小車(chē)的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2014, (11): 3.

[12] 方雁峰. 雙輪直立機(jī)器人行走關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 杭州：浙江工業(yè)大學(xué), 2014.

[13] 孫麗莉. 兩輪自平衡倒立擺式機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制[D]. 大連：大連海事大學(xué), 2016.

Development based on Arduino UNO Two-wheel Balancing Vehicle

LIN Wei, MA Shuang-bao, DONG Yu-jie

(School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China)

With the development and improvement of electronic technology, mobile robots are more and more widely used in production and life, and have become the focus of emerging technologies. In order to achieve the purpose of manually and wirelessly controlling the movement of the car, a two-wheel balance car based on Arduino UNO is developed. The system takes Arduino UNO as the main controller and realizes man-machine communication through infrared remote control. The remote controller sends a command to the controller. After receiving the command, the controller executes relevant procedures to control the vehicle in different states of front, rear, left and right, and always maintain the balance of the vehicle. The hardware includes infrared remote control module, gyroscope module, power module, drive module, speed measurement module, display module and Arduino UNO motherboard module. In the software part, after the programming of each module and the realization of related functions, the debugging is carried out, and finally the control of each trolley state is completed.

arduino UNO; two-wheeled self-balancing robot; intelligent manufacturing; wheeled mobile robot

TP212

A

2095－414X(2022)04－0027－06

通訊作者：馬雙寶（1979-），男，副教授，博士，研究方向：智能檢測(cè)與控制.

紡織新材料與先進(jìn)加工技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題基金（FZ2020005）.