一種兩輪平衡小車的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種兩輪平衡車，屬于平衡車設備技術領域。現有技術的兩輪平衡車結構復雜，運行精度不高，生產成本高。一種兩輪平衡小車，包括用以控制電機旋轉的主控芯片、用以檢測車體姿態的傳感器、用以帶動車體運動的電機，所述主控芯片連接一用以對控制偏差進行修正的PID調節器，所述PID調節器與電機相連接；所述主控芯片連接一使得角位移或直線位移轉換成電信號的編碼器，所述編碼器與傳感器相連接。本實用新型同時使用加速度傳感器、陀螺儀傳感器能夠準確檢測車體的傾斜度，進而使得車體能夠較好的保持平衡。本實用新型結構簡單，控制精度高，生產成本低。
【專利說明】
一種兩輪平衡小車
技術領域
[0001 ]本實用新型涉及一種兩輪平衡車，屬于平衡車設備技術領域。
【背景技術】
[0002]兩輪平衡車巧妙地利用地心引力使其自身保持平衡，并使得重力本身成為運動動能的提供者，載重越大，行駛動能也就越大，具有環保的特點。駕駛者不需要自己掌握平衡，車體自身的平衡穩定性，使得即使由于平衡能力障礙而無法騎自行車的人群也同樣可以駕馭平衡車。車身小巧，轉彎靈活，可以在狹窄、大轉角的工作場合作業。兩輪平衡車的種種優點使其可以作為一種快速、環保、安全、舒適、小巧、靈活的綠色交通工具，是未來汽車和自行車的替代品，其市場的廣闊性與經濟效益不言而喻。但是現有技術的兩輪平衡車結構復雜，運行精度不高，生產成本高。針對目前現有技術中存在的上述缺陷，實有必要進行研發，解決現有技術中存在的缺陷。
【實用新型內容】
[0003]針對現有技術的缺陷，本實用新型的目的在于提供一種結構簡單，運行精度高，生產成本低的兩輪平衡車。
[0004]為實現上述目的，本實用新型的技術方案為:
[0005]—種兩輪平衡小車，包括用以控制電機旋轉的主控芯片、用以檢測車體姿態的傳感器、用以帶動車體運動的電機，所述主控芯片連接一用以對控制偏差進行修正的PID調節器，所述PID調節器與電機相連接;所述主控芯片連接一使得角位移或直線位移轉換成電信號的編碼器，所述編碼器與傳感器相連接。
[0006]進一步地，所述傳感器包括加速度傳感器、陀螺儀傳感器。加速度傳感器輸出以其芯片為中心的三軸加速度，通過這三個軸的重力加速度便可以計算出芯片的傾角，即車體的傾角。加速度傳感器的靜態性能很好，在車體靜態下能測出準確穩定的傾角。陀螺儀傳感器能輸出圍繞以芯片為中心的三個軸的角速度，通過讀角速度的積分，即可得出車體的傾角。陀螺儀傳感器的動態性能好，在車體動態下能測出準確穩定的傾角。同時使用加速度傳感器、陀螺儀傳感器能夠準確檢測車體的傾斜度，進而主控芯片控制電機旋轉使得車體能夠較好的保持平衡。
[0007]進一步地，所述主控芯片為以ARM的Cortex-M系列為內核的單片機，型號為STM32。以ARM的Cortex-M系列為內核的單片機，相對其他單片機，外設豐富，主頻高，價格便宜，有專門的軟件庫，操作簡單，調試方便，低功耗。強型系列時鐘頻率達到72MHz，是同類產品中性能最尚的廣品；基本型時鐘頻率為36MHz，以16位廣品的價格得到比16位廣品大幅提升的性能。
[0008]進一步地，所述主控芯片也可以為內置模數轉換和IIC總線接口的增強型51單片機，型號為STC12C5A60S2A1單片機內置ADC(模數轉換)和IIC總線接口，且內部時鐘不分頻，可達到IMPS，性價比高。增強型51單片機可與傳感器進行IIC通訊并且可輸出靈活控制的PffM信號以及進行大量的數學運算。
[0009]進一步地，所述電機為步進電機。
[0010]進一步地，所述電機為直流有刷電機。直流有刷電機具有機械特性硬，響應速度快，調速范圍寬的特點，滿足兩輪平衡小車對靈敏性、快速性等要求。可采用多層機械結構，驅動電路與其他電路分離，降低電磁干擾。
[0011]進一步地，陀螺儀傳感器為9軸運動處理傳感器。陀螺儀傳感器的型號為MPU-60X0 JPU-60X0為9軸運動處理傳感器，它集成了 3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計。
[0012]進一步地，所述電機連接一驅動電路，所述驅動電路采用H橋驅動。
[0013]進一步地，所述PID調節器包括用以調節電機速度的速度調節器、用以調節電機角度的角度調節器。速度調節器為速度環，用于控制電機輸出，使車輪轉速與角度環輸出值保持一致;角度調節器為角度環，用于保持車體傾斜角度為O。利用雙環控制，使得車體運行精度高。
[0014]與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果:
[0015]本實用新型同時使用加速度傳感器、陀螺儀傳感器能夠準確檢測車體的傾斜度，進而主控芯片控制電機旋轉使得車體能夠較好的保持平衡。
[0016]本實用新型利用速度調節器為速度環，用于控制電機輸出，使車輪轉速與角度環輸出值保持一致;角度調節器為角度環，用于保持車體傾斜角度為O。利用雙環控制，使得車體運行精度高。
[0017]本實用新型結構簡單，控制精度高，生產成本低。
【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0019]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0020]相反，本實用新型涵蓋任何由權利要求定義的在本實用新型的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進一步，為了使公眾對本實用新型有更好的了解，在下文對本實用新型的細節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節部分的描述也可以完全理解本實用新型。
[0021]如圖1所示，一種兩輪平衡小車，包括用以控制電機旋轉的主控芯片、用以檢測車體姿態的傳感器、用以帶動車體運動的電機，所述主控芯片連接一用以對控制偏差進行修正的PID調節器，所述PID調節器與電機相連接;所述主控芯片連接一使得角位移或直線位移轉換成電信號的編碼器，所述編碼器與傳感器相連接。編碼器將傳感器的信號或數據進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號。
[0022]所述傳感器包括加速度傳感器、陀螺儀傳感器。陀螺儀傳感器為9軸運動處理傳感器。加速度傳感器輸出以其芯片為中心的三軸加速度，通過這三個軸的重力加速度便可以計算出芯片的傾角，即車體的傾角。加速度傳感器的靜態性能很好，在車體靜態下能測出準確穩定的傾角。
[0023]陀螺儀傳感器能輸出圍繞以芯片為中心的三個軸的角速度，通過讀角速度的積分，即可得出車體的傾角。陀螺儀傳感器的動態性能好，在車體動態下能測出準確穩定的傾角。陀螺儀傳感器的型號為MPU-60X0 JPU-60X0為9軸運動處理傳感器。它集成了 3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計，以及一個可擴展的數字運動處理器DMP(Digital Mot1nProcessor)，可用I2C接口連接一個第三方的數字傳感器，比如磁力計。擴展之后就可以通過其I2C或SPI接口輸出一個9軸的信號(SPI接口僅在MPU-6000可用)JPU-60X0對陀螺儀和加速度計分別用了三個16位的ADC，將其測量的模擬量轉化為可輸出的數字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運動，傳感器的測量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒(dps)，加速度計可測范圍為±2，±4，±8，±16g。一個片上1024字節的FIFO，有助于降低系統功耗。和所有設備寄存器之間的通信采用400kHz的I2C接口或IMHz的SPI接口(SPI僅MPU-6000可用)。對于需要高速傳輸的應用，對寄存器的讀取和中斷可用20MHz的SPI。另外，片上還內嵌了一個溫度傳感器和在工作環境下僅有±1%變動的振蕩器。采用QFN封裝(無引線方形封裝)，可承受最大1000g的沖擊，并有可編程的低通濾波器。關于電源，MPU-60X0 可支持 VDD 范圍 2.5￥±5%，3.0￥±5%，或3.3￥±5%。另外 MPU-60X0還有一個VLOGIC引腳，用來為I2C輸出提供邏輯電平。VLOGIC電壓可取1.8±5%或者VDD。
[0024]所述主控芯片可以為以ARM的Cortex-M系列為內核的單片機，型號為STMSSt3WARM的Cortex-M系列為內核的單片機，相對其他單片機，外設豐富，主頻高，價格便宜，有專門的軟件庫，操作簡單，調試方便，低功耗。強型系列時鐘頻率達到72MHz，是同類產品中性能最尚的廣品；基本型時鐘頻率為36MHz，以16位廣品的價格得到比16位廣品大幅提升的性能。
[0025]所述主控芯片也可以為內置模數轉換和IIC總線接口的增強型51單片機，型號為STCWCSAeOSSdl單片機內置ADC(模數轉換)和IIC總線接口，且內部時鐘不分頻，可達到IMPS，性價比高。增強型51單片機可與傳感器進行IIC通訊并且可輸出靈活控制的PWM信號以及進行大量的數學運算。
[0026]從性能和價格上綜合考慮優選STM32作為本實用新型的主控芯片，由于外設比較簡單，只需增加Iic和PffM通道，因此具體型號定位為STM32C8T6。
[0027]所述電機可以為步進電機也可以為直流有刷電機，優選直流有刷電機。直流有刷電機具有機械特性硬，響應速度快，調速范圍寬的特點，滿足兩輪平衡小車對靈敏性、快速性等要求。可采用多層機械結構，驅動電路與其他電路分離，降低電磁干擾。所述電機連接一驅動電路，所述驅動電路采用H橋驅動，使用脈寬調制方式調節電機兩端電壓有效值，達到調速的目。所述PID調節器包括用以調節電機速度的速度調節器、用以調節電機角度的角度調節器。
[0028]本實用新型的工作原理:
[0029]系統啟動，加速度傳感器和陀螺儀傳感器分別檢測車體的傾斜角。加速度傳感器和陀螺儀傳感器的檢測信號經編碼器傳輸給主控芯片，主控芯片對檢測信號進行分析處理并發送信號給PID調節器進行信號調制。速度調節器為速度環控制電機輸出，使車輪轉速與角度環輸出值保持一致；角度調節器為角度環控制電機輸出，使得保持車體傾斜角度為0，進行實現車體的平衡。
[0030]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種兩輪平衡小車，包括用以控制電機旋轉的主控芯片、用以檢測車體姿態的傳感器、用以帶動車體運動的電機，其特征在于，所述主控芯片連接一用以對控制偏差進行修正的PID調節器，所述PID調節器與電機相連接;所述主控芯片連接一使得角位移或直線位移轉換成電信號的編碼器，所述編碼器與傳感器相連接。2.如權利要求1所述的一種兩輪平衡小車，其特征在于，所述傳感器包括加速度傳感器、陀螺儀傳感器。3.如權利要求2所述的一種兩輪平衡小車，其特征在于，所述主控芯片為以ARM的Cortex-M系列為內核的單片機。4.如權利要求2所述的一種兩輪平衡小車，其特征在于，所述主控芯片為內置模數轉換和IIC總線接口的增強型51單片機，型號為STC12C5A60S2。5.如權利要求3或4任一所述的一種兩輪平衡小車，其特征在于，所述電機為步進電機。6.如權利要求3或4任一所述的一種兩輪平衡小車，其特征在于，所述電機為直流有刷電機。7.如權利要求6所述的一種兩輪平衡小車，其特征在于，陀螺儀傳感器為9軸運動處理傳感器。8.如權利要求7所述的一種兩輪平衡小車，其特征在于，所述電機連接一驅動電路，所述驅動電路米用_喬驅動。9.如權利要求8所述的一種兩輪平衡小車，其特征在于，所述PID調節器包括用以調節電機速度的速度調節器、用以調節電機角度的角度調節器。
【文檔編號】G05D1/02GK205679999SQ201620632341
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月22日 公開號201620632341.5, CN 201620632341, CN 205679999 U, CN 205679999U, CN-U-205679999, CN201620632341, CN201620632341.5, CN205679999 U, CN205679999U
【發明人】陳基偉, 高原, 劉伯陶, 朱劍鋒
【申請人】浙江機電職業技術學院