一、作品简介
1.作品外观
2.研究背景
研究目的及意义
生活是向着智能化，便捷化的方向发展。而在交通和环境问题日益突出的当今，作为适合多种场合使用的代步工具，平衡车顺应了时代的潮流，具有使用简单、节能环保、移动灵敏便捷等特点，尤其在空间狭窄、急转角度大的工作场合作业优势更凸显。作为一个非线性的对称系统，具有强耦合、多变量、参数不确定等特性。其原理和传统的倒立摆系统类似，本身是一个自然重心不稳定的物体，需要电机的控制来维持姿态的平衡，通过姿态传感器、控制算法、微控制器数据拟合驱动电机转动及车体机械集装配置整体协调制衡，是集环境感知、姿态检测、动态规划与决策、行为控制与执行等多种功能于一体的非线性系统，其控制难度大，控制算法复杂，给自动控制理论体系提出了很大的挑战，具有较强的理论研究和实践价值。
3.作品亮点
双轮载人平衡车采用无污染的电能作为动力，具备体积小、运动灵活、停车方便、狭小地方作业能力强等特点，针对当今社会交通拥挤、汽车尾气污染等问题提出了新型的出行方式解决方案。便捷、智能、迷你实用、纯绿色的平衡车既可以有效的解决中短距离的交通问题，又能健身娱乐，得到了广大群众的拥护和喜好。同时，自平衡车作为高度灵敏的非线性不稳定体，具有强耦合、欠驱动等特征，是研究自控技术及理论的绝佳实验平台。
设计中充分分析了自平衡技术的工作及控制原理，运用了经典的牛顿力学建立载人平衡车的动力学与运动学模型，参考倒立摆的运动设计了自平衡控制算法。对系统的可控角度、最大爬坡角度、可控性、可观测性进行了分析，得到了载人平衡车设计的指导性结论。通过对编码器与姿态传感器的数据融合，获得了实时的、低噪声的车身倾角信息与电机转动速度信息，采用双闭环控制算法调整PWM占空比控制电机转动实现了车身的原地平衡直立、前行后退、转向等功能。
实测结果表明，本文所设计的载人平衡车能够很好的实现自平衡并且稳定的运行，其快恢复性，准确性和稳定性能良好。
需要详细资料学习的请看原贴：http://club.szlcsc.com/article/details_7509_1.html
二、系统架构图
设计要求
1、设计车体硬件，主要包括车体重心设计、电子元器件位置摆放，电气布线等，力求车体简洁美观；
2、电路设计，主要包括控制模块、稳压电源模块、双轮测速模块、电机驱动模块，保证电子元器件之间不会出现电磁信号干扰；
3、设计电机速度控制算法，实现稳定、可靠地车体平衡直立、前进后退以及转向三个功能；
要求：
(1)可实现载人原地平衡直立，前进后退；
(2)平坦道路上可安全、平稳行驶；
(3)设计双闭环控制算法；
(4)可爬坡20°以上；
(5)低速行驶状态下可安全通过路面减速带；
(6)大功率高亮LED前后车灯，方便晚上行驶；
(7)实时车速显示；
(8)最大载重80KG以上，续航20KM，最高时速10KM/H；
(9)倾角过大，转速过高或失控等，发出相对应提示；
载人平衡车建模和控制策略
载人平衡车工作原理
自平衡车是建立在基于动态平衡的自动控制系统上的一种高度灵敏、快恢复的非线性系统。而载人平衡车则是建立在自平衡的基础之上，与人体操作相融合的高度协调的“思维车”。相较于一般的自平衡小车而言，载人平衡车具备更高的抗干扰能力和更快速的自平衡恢复能力。车身内置高精度、高速的姿态传感器实时监测车体倾斜角度，并通过数字滤波算法与电机测速的编码器数据相融合，根据接收到的倾斜角与加速度信息，中央控制器随即的做出相应的判断指令并输出频率固定、动态可调幅度的PWM波以驱动电机转动去维持系统的平衡。通过采集把手带动转向电位器转过的模拟值，判断在当前行进速度下安全平稳转弯的角度大小，达到稳定、灵活的行进。
系统组成
综合以上所叙述的，选择STM32F103C8T6单片机作为主控芯片，MPU-6050姿态传感器，直流有刷减速电机，大功率H全桥电机驱动器组成双轮载人平衡车硬件系统。辅以卡尔曼滤波算法对陀螺仪和加速度计数据进行融合,计算出车身倾角与角速度的最优估计值。并以最优姿态角和车身速度作为反馈量构成双闭环控制反馈回主控制系统中产生两路动态可调的PWM波驱动电机前后转动以维持车身的平衡与直立。

三、硬件部分的描述
平衡车硬件设计
STM32主控电路
双轮载人平衡车选择的是STM32F103C8T6作为中央控制器，其内部包含丰富的资源。自平衡车主控系统设计中采用核心板+转接板的方式工作，力求精简小巧，其板载资源如下：
1个复位按钮，可用于复位MCU系统以及转接板上的相关外设；
1个采用2x3 6Pin排针的启动模式选择配置接口，用于选择复位后MCU的启动模式；
1个4线SWD调试下载接口，极大的精简了下载调试需要占用的IO资源和PCB整体尺寸，SWD只需两个IO口即可在线仿真调试，清楚的观测到MCU内核寄存器运行状态及相关变量，给后期的程序设计与调试带来很大的便利；
1个3.3V电源指示灯，用于指示电源状态，在按下电源开关时，若是通路，指示灯亮起，反之灯会不亮，通过观察这颗LED指示灯的状态，可以清楚明了的判断核心板的上电情况是否正常，防止电源短接造成芯片烧毁等严重失误。
三组16Pin的排针将MCU的所有IO口(除了被晶振占用的2个IO口)资源按芯片管脚顺序引出，在核心板上标号分别为J1，J2，J3，非常方便后期硬件接线实验与调试，最小系统原理图。
电源电路
小车系统共使用了四路电源，其中还包括对模拟与数字、高压与低压以及高速信号部分的供电，这对PCBA的布局布线、信号完整性以及元器件的选用都提出了很大的挑战。在高压、高速开关功率MOS管这部分模拟电路VCC连接的是铅酸电池的正极VCC_36V(三个12V的电瓶串联相接)，能够稳定输出36V电压，12安培的电流，给予电机强劲的运行动力。此外，在电路最前端放置一只耐压值45V的反向保护二极管防止电源短接对后面的电路造成短路烧毁的危险。过大的压差会使电源芯片负载过大而发热进而影响系统稳定性，遂通过200欧姆/5W的分压电阻对36V分压得到20V电压，经过220uF/50V的铝壳电解电容滤去低频纹波再经一个0.1uF的陶瓷电容滤去高频纹波后流入三端可调线性稳压器LM317中，同时在LM317输入与输出两端并联肖特基二极管增加电源系统稳定性，通过5.1K和0.51K的电阻对其进行分压后输出稳定的15V正向电压给半桥驱动器IR2104S供电。考虑到除了功率开关管部分功耗极大之外其余皆为耗电量较小的系统，MCU系统，外设，半桥驱动器等加起来功耗不大，但对电源稳定性要求较高，遂决定采用上述的线性稳压器LM317来作为除功率MOS管外的系统的总电源转换芯片，该芯片在1.2V~37V可调输出并且保证1%的容差和0.01%的线性调整率，能够稳定输出超过1.5安培的电流，足以满足系统的使用。相比开关电源所带来的大噪声，线性电源在小功耗场合下更为适用。
第二部分为5V正向电压输出，前端放置一个100Ω/2W的功率电阻分掉一部分电压以减小压差，再经过220uF/50V的铝壳电解电容滤波后流入LM7805三端线性稳压芯片，输出稳定的VCC正5V电源给高速光耦HCPL2631供电。高速光耦隔离的信号电路作为主控板与大功率电机驱动唯一的桥梁，不但没有削弱主控的PWM控制信号，并且在主控板与大功率电机驱动板之间做了良好的隔离，放置大电流回灌而烧毁主控，对光耦单独供电是必须的。
第三部分是由三端稳压芯片ASM1117_3.3V输出的3.3.V正向电源，它拥有最大0.2%线性调整率，0.4%的负载调整率，可输出最大800mA电流，性能非常优秀，是小功耗电系统极佳选型。
设计中使用的是总线式电源分配方案，为所有的器件供电的同时适当的铺设接地过孔(类似于电源层式分配方案)，具有良好的阻抗特性和尽可能小的电源噪声。
电机驱动电路
平衡车使用的是350W 36V的有刷直流减速电机，额定工作电流10A左右，堵转电流20A以上。设计中选用IR2104S半桥驱动器芯片搭配耐压值600V的超快速恢复二极管RS1M FR107以及10uF钽电容和10Ω电阻构成的泄放回路组成电荷泵来控制H桥MOS管的导通与断开。如图4.3.1所示，C11为自举电容，D6为超快速恢复二极管RS1M FR107，PWM在上桥臂调制。当Q1断开时，A点电位由于Q3续流回零，此时C11通过VCC_15V和D6进行充电。当输入信号P1导通，上桥臂的驱动电压由C11提供且C11电压不变，Vb随Vs的升高而浮动，即自举。每一个PWM周期，电路都会给C11充电来确保其电压状态基本保持不变。在Q1断开时，D6则为C11的充电提供正向电流通道，当Q1导通时则阻止电流反向流入控制电压VCC_15V。直流电机一端接正，另一端接负即可让电机转动起来；调换两端极性，电机即反向转动。
在平衡车这种高灵敏度自控系统中需要快速的切换高低电平的极性来驱动电机前后转动以达到平衡的状态，显然手动的把电机线反接过来是不现实的。通过实验可知，当频繁的切换开关状态时候，电机就不在是匀速转动，而是变化的了。相应的，扭矩也随之变化。而H桥驱动电路能够方便的实现电机的四象限运动，即正反转、正反转制动。H桥驱动电路原理如图4.3.2所示，组成H桥驱动电路的四只开关管工作在开关的状态，S1，S4与S2，S3为两组互补状态关系的开关。当S1、S4导通，S3,、S4关闭时，电机两端施以正向电压实现电机正转，反之，电机反转。实际控制中，常用75NF75功率MOS管代替以上四只开关管，辅以合适电容与电阻搭建的泄放回路以及高速肖特基二极管保护电路组成的大功率H桥电机驱动器，耐压值可达75V，可承受最大80A的瞬间放电、50A的稳定放电电流。