CN102890890A - 直立自平衡智能车 - Google Patents

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李龙辉
巩建强
王党青
乔洁
白苡琨
姚丁茂
梅迎
胡杰
胡新
王鹏
康雨
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Abstract

本发明公开了一种直立自平衡智能车，包括车体盘、主控板、LED显示板、倾角检测板、速度检测模块和驱动转向轮。主控板采用MC9S12XS128单片机，具有供电电压低，响应速度快，处理速度高，价格低廉等优点。可实现车模直立静止、直立前行、直立后退、直立前行左右转弯和直立后退左右转弯等功能。可用于本科、研究生的自动控制原理教学课程中；产品的性价比高，适合广大大学生；通过使用智能车主控板可熟悉MC9S12XS系列单片机的原理和编程技巧，掌握数字加速度计和陀螺仪的使用方法和控制原理，易制作易学习，提高学生的动手能力和科技创新能力，增加学生从事智能汽车开发研究的兴趣。

Description

直立自平衡智能车
技术领域
本发明属于计算机应用技术领域，具体涉及一种智能小车，特别是一种直立自平衡智能车，可用于本科、研究生的科技实验课程，可纳入自动控制原理教学的课程中，亦可用于大学生科技竞赛项目。
背景技术
当今社会科学技术迅猛发展，汽车电子的发展让汽车变得越来越智能化，汽车自动导航技术是机器人导航技术的延伸和应用，目前已受广泛关注。为改变传统的汽车“人-车-环境”闭环控制方式，提高交通系统效率和安全性，各大企业和高校致力于智能汽车的研究和开发。从过去的汽车自主导航系统到无人驾驶汽车，都承载着人类对满足现代社会要求的高性能智能汽车的无止境追求。
对于高校而言，其培养的学生在祖国未来现代化建设中将承担创新的主体，我国汽车技术相对于国外，整体水平比较落后，为快速提升我国科学技术水平，提高高校学生的科技创新能力至关重要，而我国高校汽车科技实验教学中，作为实验活动中使用的教具小车，其控制电路是由分列元件组成，小车的整体结构比较粗糙也不够科学合理，对于广大学生都熟知的汽车电子科技创新大赛即飞思卡尔杯全国大学生智能车竞赛而言，每年的竞赛规则变化很小，参赛的学校基本上都是沿用上年的机械和软件思路，有的学校甚至是直接拿来主义，出现了克隆车或复制车，这不仅不利于学生的科技创新能力和动手能力的提高，反而扰乱了公平竞赛的规则。
发明内容
为了提供一种可用于本科、研究生的汽车科技实验，本发明的目的在于，提供一种直立自平衡智能车。可纳入自动控制原理教学课程，提高学生科技创新兴趣和动手能力的装置。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术解决方案来实现的：
一种直立自平衡智能车，其特征在于，包括车体盘、主控板、LED显示板、倾角检测板、速度检测模块和驱动转向轮；
所述的主控板用于直立自平衡智能车的控制，包括主控制芯片、电机驱动模块和按键储存模块；其中：主控制芯片采用16位单片机MC9S12XS128；电机驱动模块采用4个BTN7970和2个74LS244组成的两个H桥驱动电路；按键储存模块包括8个圆形贴片按键和一个8位24C02数据储存芯片，按键存储模块与LED显示板（3）配合使用用以改变车模各项运行参数；
所述的LED显示板，用于直立自平衡智能车前期参数的调节，提高车模调试效率及设置直立自平衡车的运动模式；
所述的倾角检测板包括一个MMA8451加速度计传感器和两个陀螺仪ENC-03，其中MMA8451加速度计传感器用于检测自由落体、运动和振动状态下的倾角信号，陀螺仪ENC-03，用于检测运动过程中车辆俯仰和航向角加速度；
所述的速度检测模块采用两个NEDIC157编码器与电机相连，NEDIC157编码器每转一周产生157个方波脉冲，NEDIC157编码器信号输出端与主芯片MC9S12XS128的PT0和PT1口相连，PT0和PT1为主芯片MC9S12XS128的两个外部输入捕捉端口，主芯片MC9S12XS128根据NEDIC157编码器产生的方波信号个数计算左右驱动轮的速度；
所述的驱动转向轮包括车体盘底部两侧的两个橡胶轮胎，用于为维持车辆直立平衡、车辆前进和车辆转弯提供动力。
本发明的直立自平衡智能车，可实现车模直立静止、直立前行、直立后退、直立前行左右转弯和直立后退左右转弯等功能。可用于本科、研究生的自动控制原理教学课程中；产品的性价比高，适合广大大学生；通过使用智能车主控板可熟悉MC9S12XS系列单片机的原理和编程技巧，掌握数字加速度计和陀螺仪的使用方法和控制原理，易制作易学习，提高学生的动手能力和科技创新能力，增加学生从事智能汽车开发研究的兴趣。
附图说明
图1为直立自平衡智能车的示意图。
图2为主芯片MC9S12XS128功能引脚图。
图3为驱动电机H桥电路图。
图4为加速度传感器MMA8451连接电路图。
图5为陀螺ENC-03连接电路图。
图6为LED显示屏与按键电路图。
图7为直立自平衡智能车的实物图。
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步阐述。
具体实施方式
图1所描述的是本实施例给出的一种直立自平衡智能车的结构示意图，包括车体盘1、主控板2、LED显示板3、倾角检测板4、速度检测模块5和驱动转向轮6。车体盘1采用塑料制成，各个部件紧固在车体盘1上，整体质量轻盈，安全稳固。
所述的主控板2用于直立自平衡智能车的控制，包括主控制芯片、电机驱动模块和按键储存模块；其中，主控制芯片采用飞思卡尔公司生产的16位单片机MC9S12XS128。
所述的车体盘1由塑料制成，车体盘1底部两侧均安装有驱动电机，驱动电机外侧安装驱动转向轮6，用于维持车辆直立平衡、车辆前进和车辆转弯提供动力。
所述的主控板2包括主控制芯片、电机驱动模块和按键储存模块。其中：
主控制芯片采用飞思卡尔公司生产的16位单片机MC9S12XS128，MC9S12XS128芯片由5V供电，芯片内部含有128K的Flash存储器，8K的RAM，8K的EEPROM，两路串行通信接口，一路串行外围接口，8路定时器通道，2个八路可调转换精度的A/D口，8路PWM输出，1路内部计数器等，芯片主频可超调到80MHz至96MHz。其具有供电电压低，响应速度快，处理速度高，价格低廉等优点，完全满足直立自平衡智能车的控制。
电机驱动模块包括4个BTN7970和2个74LS244组成的两个H桥驱动电路，半桥芯片BTN7970具有电流检测、过温、过压、欠压、过流和短路保护等诊断功能，组成的全桥驱动电路最大通过电流可达43A。
电机驱动模块由主控制芯片的四路PWM波控制，为减少PWM口的使用，提高芯片运行效率，电机驱动模块还包括74HC08与门芯片，将四路PWM口控制减少到两路。按键储存模块包括8个圆形贴片按键和一个8位24C02数据储存芯片，按键存储模块与LED显示板配合使用，用以改变车模各项运行参数，使直立自平衡智能车达到快速稳定可靠的工作性能。
本实施例中，LED显示板3采用了LED5110显示屏，用于直立自平衡智能车前期参数的调节，提高车模调试效率及设置直立自平衡车的运动模式。
倾角检测板4，包括一个MMA8451加速度计传感器和两个陀螺仪ENC-03。MMA8451加速度计传感器为飞思卡尔公司生产，具有8/14位可选输出精度，输出数据速率最高可达800Hz，可检测自由落体、运动和振动状态下的倾角信号，MMA8451加速度计传感器直接输出数字信号，不需经过放大电路。两个ENC-03陀螺仪为飞思卡尔公司生产，用于检测运动过程中车辆俯仰和航向角加速度。陀螺仪ENC-03检测信号微弱，需经过放大电路后将放大信号与MMA8451加速度计传感器产生的加速度信号进行互通滤波，得到平滑的倾角曲线。
速度检测模块5采用两个NEDIC157编码器与电机相连，NEDIC157编码器是日本NEDIC公司生产的，NEDIC157编码器每转一周产生157个方波脉冲。NEDIC157编码器信号输出端与主芯片MC9S12XS128的PT0和PT1口相连，PT0和PT1为主芯片MC9S12XS128的两个外部输入捕捉端口，主芯片MC9S12XS128根据NEDIC157编码器产生的方波信号个数计算左右驱动轮的速度。所述速度检测模块5采用“乒乓”算法。
为了使本发明实现的技术手段、技术特征、达成目的与功效使得本领域的技术人员易于明白了解，以下给出详细的制作过程：
如图2所示的是主控芯片MC9S12XS128功能引脚图，主控芯片MC9S12XS128需实现功能有控车模直立静止和控制车模直立前行后退和转弯。主控芯片MC9S12XS128的三个14位精度的A/D转换接口与倾角检测板4相连，获取倾角检测板4中加速度计MMA8451和陀螺仪ENC-03检测信号，经互通滤波后获得平滑的倾角曲线。主控芯片MC9S12XS128控制车模直立采用PD算法，平滑滤波后倾角乘以系数P与陀螺仪ENC-03检测的角加速度乘以系数D求和，主控板2将求和量经电机驱动模块直接供于车模两侧电机。主控芯片MC9S12XS128经由两路外部中断输入捕捉口PT0、PT1检测车轮转速，为保证检测到准确的转速信号，主控芯片内部中断采用“乒乓”算法即PT0口采集信号时关闭PT1的中断使能，PT0口采集数据完毕后开启PT1口中断使能同时关闭PT0的中断使能。主控板2将检测到的车轮转速信号转化为当前车速信息，当前车速与设定车速进行比较，将其差值进行积分，积分值乘以系数I与当前测速值乘以P后求和，求和值经由电机驱动模块直接加载于电机。
如图3所示为驱动芯片BTN7970和与门芯片74HC08组成的H桥驱动电路，主芯片MC9S12XS128的I/O口PM0和PM2同时置0时，H桥驱动电路输出两端电压差为0，电机静止；PM0置0、PM2置1，在PWM5有方波输出时，H桥驱动电路两端有电压差，此时电机正转；PM0置1、PM2置0，在PWM5有方波输出时，电机反转。若PWM5无方波输出，电机静止。H桥驱动电路最大通过电流可达43A，响应频率为10Khz。
图4、图5所示的是倾角检测模块4的加速度计传感器MMA8451和陀螺仪ENC-03的连接电路图。
加速度计传感器MMA8451检测的倾角信号输出端直接与主芯片MC9S12XS128的A/D转换口相连，两路陀螺仪ENC-03检测到的角加速度信号很微弱，需经放大电路放大，为保证放大后的角加速度信号足够大同时没有过冲现象，选定放大电路的放大倍数为5.1倍（R1/R2）。两路放大后的角加速度信号，其中一路与MMA8451检测的加速度信号进行互通滤波处理，得到平滑的倾角曲线，将平滑后的倾角值与加速度信号进行PD控制后由主控板直接供电于电机保持车模直立；另一路陀螺仪ENC-03放大后角加速度信号用于快速转弯时防止车模过冲影响其行驶稳定性。由于陀螺仪温漂的存在，不同使用环境陀螺仪初始值不同，为保证直立自平衡智能车（以下简称车模）平稳可靠的运行，每次车模运行前程序首先获取当前环境陀螺仪初始值。
本实施例中，LED显示板3选择LED5110显示屏，图6所示为LED5110显示屏和按键存储模块连接电路图。通过LED5110显示屏和按键存储模块改变和保存当前参数值，可用于提高车模调试效率，查看和设定车模运行状态。
具体运行过程为：开机前尽量保持车模处于垂直位置并保持静止，打开电源开关，程序自动提取陀螺仪ENC-03的初始值后车模开始运行，运行过程中主控板2通过主控芯片MC9S12XS128的14位A/D转换端口提取倾角检测板4的数字加速度计传感器MMA8451和陀螺仪ENC-03的检测信号并进行互通滤波得到平滑倾角曲线。拟合后倾角乘以系数P与ENC-03检测的角加速度信号乘以系数D求和，将求和的值通过主控板1的电机驱动模块供电于电机，若求和值为负数，主控芯片MC9S12XS128置PM0为0，PM2为1，求和绝对值赋值于PW5，此时电机正转；若求和为正数，主控芯片MC9S12XS128置PM0为1，PM2为0，求和绝对值赋值于PW5，此时电机反转。这样可保证车模维持直立平衡。
为实现车模直立静止或直立前行后退等功能，主控板2通过主控芯片MC9S12XS128的外部输入捕捉口PT0、PT1提取车体盘1底部两侧的NEDIC157编码器信号，提取信号采用“乒乓”算法，将提取两侧电机转速求和可得当前车模运行速度。当前车模运行速度与设定速度求差，将差值进行积分，积分值乘以系数I与当前车速乘以系数P求和，若求和值为正，主控板2控制电机驱动模块降低电机转速或使之反转；若求和值为负，主控板2控制电机驱动模块提高电机供电电压加快其转速。
为实现车模直立转弯，通过LED显示板3设置左右轮转速差，经由主控板2将差值转化为驱动电压，分别与左右电机进行加减。为保证转弯平稳顺利，主控芯片MC9S12XS128需提取陀螺仪ENC-03检测的车模航向角加速度信号，将此信号乘以系数P后经由电机驱动模块转化为驱动电压分别与左右电机进行减加。
本实施例制成的直立自平衡智能车，可实现的功能有直立静止、直立前行、直立后退、直立前行左右转弯、直立后退左右转弯。通过LED显示板3设置车模运行状态。如图7所示为直立自平衡智能车直立静止图片。
以上描述了本发明的基本原理和主要特征，本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，例如对于上述各技术特征的增加和一些技术特征的简单代换，这些变化和改进都应当属于本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种直立自平衡智能车，其特征在于，包括车体盘（1）、主控板（2）、LED显示板（3）、倾角检测板（4）、速度检测模块（5）和驱动转向轮（6）；
所述的主控板（2）用于直立自平衡智能车的控制，包括主控制芯片、电机驱动模块和按键储存模块；其中：主控制芯片采用16位单片机MC9S12XS128；电机驱动模块采用4个BTN7970和2个74LS244组成的两个H桥驱动电路；按键储存模块包括8个圆形贴片按键和一个8位24C02数据储存芯片，按键存储模块与LED显示板（3）配合使用用以改变车模各项运行参数；
所述的LED显示板（3），用于直立自平衡智能车前期参数的调节，提高车模调试效率及设置直立自平衡车的运动模式；
所述的倾角检测板（4）包括一个MMA8451加速度计传感器和两个陀螺仪ENC-03，其中MMA8451加速度计传感器用于检测自由落体、运动和振动状态下的倾角信号，陀螺仪ENC-03，用于检测运动过程中车辆俯仰和航向角加速度；
所述的速度检测模块（5）采用两个NEDIC157编码器与电机相连，NEDIC157编码器每转一周产生157个方波脉冲，NEDIC157编码器信号输出端与主芯片MC9S12XS128的PT0和PT1口相连，PT0和PT1为主芯片MC9S12XS128的两个外部输入捕捉端口，主芯片MC9S12XS128根据NEDIC157编码器产生的方波信号个数计算左右驱动轮的速度；
所述的驱动转向轮（6）包括车体盘底部两侧的两个橡胶轮胎，用于维持车辆直立平衡、车辆前进和车辆转弯供动力。
2.如权利要求1所述的直立自平衡智能车，其特征在于，所述的LED显示板（3）采用LED5110显示屏。
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