一种两轮平衡小车的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种两轮平衡车，属于平衡车设备技术领域。现有技术的两轮平衡车结构复杂，运行精度不高，生产成本高。一种两轮平衡小车，包括用以控制电机旋转的主控芯片、用以检测车体姿态的传感器、用以带动车体运动的电机，所述主控芯片连接一用以对控制偏差进行修正的PID调节器，所述PID调节器与电机相连接；所述主控芯片连接一使得角位移或直线位移转换成电信号的编码器，所述编码器与传感器相连接。本实用新型同时使用加速度传感器、陀螺仪传感器能够准确检测车体的倾斜度，进而使得车体能够较好的保持平衡。本实用新型结构简单，控制精度高，生产成本低。
【专利说明】
一种两轮平衡小车
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及一种两轮平衡车，属于平衡车设备技术领域。
【背景技术】
[0002]两轮平衡车巧妙地利用地心引力使其自身保持平衡，并使得重力本身成为运动动能的提供者，载重越大，行驶动能也就越大，具有环保的特点。驾驶者不需要自己掌握平衡，车体自身的平衡稳定性，使得即使由于平衡能力障碍而无法骑自行车的人群也同样可以驾驭平衡车。车身小巧，转弯灵活，可以在狭窄、大转角的工作场合作业。两轮平衡车的种种优点使其可以作为一种快速、环保、安全、舒适、小巧、灵活的绿色交通工具，是未来汽车和自行车的替代品，其市场的广阔性与经济效益不言而喻。但是现有技术的两轮平衡车结构复杂，运行精度不高，生产成本高。针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研发，解决现有技术中存在的缺陷。
【实用新型内容】
[0003]针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种结构简单，运行精度高，生产成本低的两轮平衡车。
[0004]为实现上述目的，本实用新型的技术方案为:
[0005]—种两轮平衡小车，包括用以控制电机旋转的主控芯片、用以检测车体姿态的传感器、用以带动车体运动的电机，所述主控芯片连接一用以对控制偏差进行修正的PID调节器，所述PID调节器与电机相连接;所述主控芯片连接一使得角位移或直线位移转换成电信号的编码器，所述编码器与传感器相连接。
[0006]进一步地，所述传感器包括加速度传感器、陀螺仪传感器。加速度传感器输出以其芯片为中心的三轴加速度，通过这三个轴的重力加速度便可以计算出芯片的倾角，即车体的倾角。加速度传感器的静态性能很好，在车体静态下能测出准确稳定的倾角。陀螺仪传感器能输出围绕以芯片为中心的三个轴的角速度，通过读角速度的积分，即可得出车体的倾角。陀螺仪传感器的动态性能好，在车体动态下能测出准确稳定的倾角。同时使用加速度传感器、陀螺仪传感器能够准确检测车体的倾斜度，进而主控芯片控制电机旋转使得车体能够较好的保持平衡。
[0007]进一步地，所述主控芯片为以ARM的Cortex-M系列为内核的单片机，型号为STM32。以ARM的Cortex-M系列为内核的单片机，相对其他单片机，外设丰富，主频高，价格便宜，有专门的软件库，操作简单，调试方便，低功耗。强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最尚的广品；基本型时钟频率为36MHz，以16位广品的价格得到比16位广品大幅提升的性能。
[0008]进一步地，所述主控芯片也可以为内置模数转换和IIC总线接口的增强型51单片机，型号为STC12C5A60S2A1单片机内置ADC(模数转换)和IIC总线接口，且内部时钟不分频，可达到IMPS，性价比高。增强型51单片机可与传感器进行IIC通讯并且可输出灵活控制的PffM信号以及进行大量的数学运算。
[0009]进一步地，所述电机为步进电机。
[0010]进一步地，所述电机为直流有刷电机。直流有刷电机具有机械特性硬，响应速度快，调速范围宽的特点，满足两轮平衡小车对灵敏性、快速性等要求。可采用多层机械结构，驱动电路与其他电路分离，降低电磁干扰。
[0011]进一步地，陀螺仪传感器为9轴运动处理传感器。陀螺仪传感器的型号为MPU-60X0 JPU-60X0为9轴运动处理传感器，它集成了 3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计。
[0012]进一步地，所述电机连接一驱动电路，所述驱动电路采用H桥驱动。
[0013]进一步地，所述PID调节器包括用以调节电机速度的速度调节器、用以调节电机角度的角度调节器。速度调节器为速度环，用于控制电机输出，使车轮转速与角度环输出值保持一致;角度调节器为角度环，用于保持车体倾斜角度为O。利用双环控制，使得车体运行精度高。
[0014]与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果:
[0015]本实用新型同时使用加速度传感器、陀螺仪传感器能够准确检测车体的倾斜度，进而主控芯片控制电机旋转使得车体能够较好的保持平衡。
[0016]本实用新型利用速度调节器为速度环，用于控制电机输出，使车轮转速与角度环输出值保持一致;角度调节器为角度环，用于保持车体倾斜角度为O。利用双环控制，使得车体运行精度高。
[0017]本实用新型结构简单，控制精度高，生产成本低。
【附图说明】
[0018]图1为本实用新型的结构示意图。
【具体实施方式】
[0019]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0020]相反，本实用新型涵盖任何由权利要求定义的在本实用新型的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本实用新型有更好的了解，在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本实用新型。
[0021]如图1所示，一种两轮平衡小车，包括用以控制电机旋转的主控芯片、用以检测车体姿态的传感器、用以带动车体运动的电机，所述主控芯片连接一用以对控制偏差进行修正的PID调节器，所述PID调节器与电机相连接;所述主控芯片连接一使得角位移或直线位移转换成电信号的编码器，所述编码器与传感器相连接。编码器将传感器的信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号。
[0022]所述传感器包括加速度传感器、陀螺仪传感器。陀螺仪传感器为9轴运动处理传感器。加速度传感器输出以其芯片为中心的三轴加速度，通过这三个轴的重力加速度便可以计算出芯片的倾角，即车体的倾角。加速度传感器的静态性能很好，在车体静态下能测出准确稳定的倾角。
[0023]陀螺仪传感器能输出围绕以芯片为中心的三个轴的角速度，通过读角速度的积分，即可得出车体的倾角。陀螺仪传感器的动态性能好，在车体动态下能测出准确稳定的倾角。陀螺仪传感器的型号为MPU-60X0 JPU-60X0为9轴运动处理传感器。它集成了 3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP(Digital Mot1nProcessor)，可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后就可以通过其I2C或SPI接口输出一个9轴的信号(SPI接口仅在MPU-6000可用)JPU-60X0对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000°/秒(dps)，加速度计可测范围为±2，±4，±8，±16g。一个片上1024字节的FIFO，有助于降低系统功耗。和所有设备寄存器之间的通信采用400kHz的I2C接口或IMHz的SPI接口(SPI仅MPU-6000可用)。对于需要高速传输的应用，对寄存器的读取和中断可用20MHz的SPI。另外，片上还内嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有±1%变动的振荡器。采用QFN封装(无引线方形封装)，可承受最大1000g的冲击，并有可编程的低通滤波器。关于电源，MPU-60X0 可支持 VDD 范围 2.5￥±5%，3.0￥±5%，或3.3￥±5%。另外 MPU-60X0还有一个VLOGIC引脚，用来为I2C输出提供逻辑电平。VLOGIC电压可取1.8±5%或者VDD。
[0024]所述主控芯片可以为以ARM的Cortex-M系列为内核的单片机，型号为STMSSt3WARM的Cortex-M系列为内核的单片机，相对其他单片机，外设丰富，主频高，价格便宜，有专门的软件库，操作简单，调试方便，低功耗。强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最尚的广品；基本型时钟频率为36MHz，以16位广品的价格得到比16位广品大幅提升的性能。
[0025]所述主控芯片也可以为内置模数转换和IIC总线接口的增强型51单片机，型号为STCWCSAeOSSdl单片机内置ADC(模数转换)和IIC总线接口，且内部时钟不分频，可达到IMPS，性价比高。增强型51单片机可与传感器进行IIC通讯并且可输出灵活控制的PWM信号以及进行大量的数学运算。
[0026]从性能和价格上综合考虑优选STM32作为本实用新型的主控芯片，由于外设比较简单，只需增加Iic和PffM通道，因此具体型号定位为STM32C8T6。
[0027]所述电机可以为步进电机也可以为直流有刷电机，优选直流有刷电机。直流有刷电机具有机械特性硬，响应速度快，调速范围宽的特点，满足两轮平衡小车对灵敏性、快速性等要求。可采用多层机械结构，驱动电路与其他电路分离，降低电磁干扰。所述电机连接一驱动电路，所述驱动电路采用H桥驱动，使用脉宽调制方式调节电机两端电压有效值，达到调速的目。所述PID调节器包括用以调节电机速度的速度调节器、用以调节电机角度的角度调节器。
[0028]本实用新型的工作原理:
[0029]系统启动，加速度传感器和陀螺仪传感器分别检测车体的倾斜角。加速度传感器和陀螺仪传感器的检测信号经编码器传输给主控芯片，主控芯片对检测信号进行分析处理并发送信号给PID调节器进行信号调制。速度调节器为速度环控制电机输出，使车轮转速与角度环输出值保持一致；角度调节器为角度环控制电机输出，使得保持车体倾斜角度为0，进行实现车体的平衡。
[0030]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种两轮平衡小车，包括用以控制电机旋转的主控芯片、用以检测车体姿态的传感器、用以带动车体运动的电机，其特征在于，所述主控芯片连接一用以对控制偏差进行修正的PID调节器，所述PID调节器与电机相连接;所述主控芯片连接一使得角位移或直线位移转换成电信号的编码器，所述编码器与传感器相连接。2.如权利要求1所述的一种两轮平衡小车，其特征在于，所述传感器包括加速度传感器、陀螺仪传感器。3.如权利要求2所述的一种两轮平衡小车，其特征在于，所述主控芯片为以ARM的Cortex-M系列为内核的单片机。4.如权利要求2所述的一种两轮平衡小车，其特征在于，所述主控芯片为内置模数转换和IIC总线接口的增强型51单片机，型号为STC12C5A60S2。5.如权利要求3或4任一所述的一种两轮平衡小车，其特征在于，所述电机为步进电机。6.如权利要求3或4任一所述的一种两轮平衡小车，其特征在于，所述电机为直流有刷电机。7.如权利要求6所述的一种两轮平衡小车，其特征在于，陀螺仪传感器为9轴运动处理传感器。8.如权利要求7所述的一种两轮平衡小车，其特征在于，所述电机连接一驱动电路，所述驱动电路米用_乔驱动。9.如权利要求8所述的一种两轮平衡小车，其特征在于，所述PID调节器包括用以调节电机速度的速度调节器、用以调节电机角度的角度调节器。
【文档编号】G05D1/02GK205679999SQ201620632341
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月22日 公开号201620632341.5, CN 201620632341, CN 205679999 U, CN 205679999U, CN-U-205679999, CN201620632341, CN201620632341.5, CN205679999 U, CN205679999U
【发明人】陈基伟, 高原, 刘伯陶, 朱剑锋
【申请人】浙江机电职业技术学院