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基于单片机的智能平衡小车设计 摘要 :为满足出行需求，提高平衡小车的智能化水平，采用D 型车模平台，R T1021 申.片机为核心控制单元， MPU6050姿态传感器采集小车姿态信息，运用卡尔曼滤波算法对陀螺仪采集数据进行融合与分析得到系统当前状 态的最优化输出，最后通过串级PID 控制电机输出，设计一款基于单片机的自主直立、自动循迹、主动避障的智能 平衡小车。系统设计主要包括人机交互模块、传感器模块、电机驱动模块、运算放大模块，由软硬件两部分内容共 同构建具有信号输人和控制反馈的闭环系统。经过多次测试表明：在室内PV C 赛道上，平衡小车能够在平均 2. 5 «/8的速度下,实现自主直立、寻迹、避障，且具有较强的抗干扰能力，符合设计要求。 关 键 词 ：平衡小车；RT102 丨单片机；M PU6050; 串级PID ;卡尔曼滤波 0 引言 车运行稳定可靠。 平衡车的研究最早开始于日本和欧美地区,如今在 1 系统总体设计 国外，由于平衡车体积小、易操作、方便灵活等特点，引 起了很多专家学者与研发机构的关注，已经发展成为较 以 D 型车模作为小车基本架构，选 用 RT 1021作 成熟的产业，在各个领域皆有应用。国外主要有由瑞士 为核心控制器，对电磁信号、编码器信号、陀螺仪采集 联邦工业大学研发的两轮遥控机器人J 0 K 及由美国南 数据、传感器信号等数据进行分析，通过控制算法执行 卫理工会大学设计的nBut两轮移动车，这两种移动车 对应操作命令，系统软件开发工具选用I A R 进行软件 都不具备自主直立的功能。而中国对于平衡车研究起 编程。小车的路径感应采用工字电感，信号经谐振选 步较晚，但随着科学技术的进步，各研究院及高校诞生 频、运算放大、倍压检波后反馈给单片机，单片机计算 了许多基于不同设计方案、不同目的、不同控制方式的 小车当前位置偏移;小车的姿态信息采集采用陀螺仪 自平衡系统。主要有Swa 两轮移动车、Free Mover双 MPU6050 ，经过卡尔曼滤波^1 后输出当前小车 轮移动车等，其缺点主要是算法复杂且价格昂贵。 实时姿态;小车的测速装置采用Mini编码器，可检测 目前两轮IN平衡车的姿态信息获取,一般采用陀螺 速度大小与方向；小车的特殊元素识别采用红外传感 仪、加速度计进行数据采集，通过算法将姿态信息融合 器、激光雷达传感器、电感、陀螺仪。 的方式,得到准确的姿态信息。两轮自平衡车非常不稳 该系统以检测电磁信号为基础，通过单片机处理 定且控制任务复杂，当前的两轮自平衡车在实现自主直 各传感器产生信号，实现对小车的控制，实现小车在设 立行驶、特殊元素识别等功能方面还有待提高。为弥补 定道路上平稳且准确的寻迹行驶。本次系统设计主要 当前两轮自平衡小车的不足，本设计以I)型车模型为基 由单片机最小系统模块、运算放大模块、电机驱动模 础架