一种光电智能平衡车的控制电路的制作方法

本实用新型涉及智能车，具体涉及一种光电智能平衡车的控制电路。

背景技术：

智能车不需要经过人为操控就能按照设定，自动行驶在道路上，能自行智能判断处理各种前方出现的道路情况。而智能车的发展需要投入大量的研究测试。因此，设计一种能够按照设定的路径平稳行驶的智能平衡车模型，对于智能车的研究测试有着重要的意义。

智能平衡车要实现自动行走，需要多种模块共同协作，并通过控制器来集中处理各个信号，根据各个信号来控制电机驱动平衡车行走。因此，设计一种智能平衡车的控制电路是实现智能平衡车自动行走的关键。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本实用新型目的在于提供一种光电智能平衡车的控制电路。本实用新型能控制平衡车自动平稳行走。

本实用新型所述的一种光电智能平衡车的控制电路，包括控制器、调试模块、陀螺仪与加速度计模块、编码器测速模块、电机驱动模块和线性CCD模块；所述的线性CCD模块、陀螺仪与加速度计模块和编码器测速模块的信号输出端分别连接控制器的三个信号输入端，所述的控制器的控制输出端连接电机驱动模块的控制输入端，所述的调试模块与控制器信号交互。

优选地，还包括电源模块，所述的电源模块包括第一稳压芯片、第二稳压芯片、第三稳压芯片和第四稳压芯片，所述的第一稳压芯片和第二稳压芯片的电压输入端连接外接电源，所述的第一稳压芯片的电压输出端分别连接线性CCD模块和编码器测速模块的电压输入端；所述的第二稳压芯片的电压输出端分别连接第三稳压芯片和第四稳压芯片的电压输入端，所述的第三稳压芯片的电压输出端连接控制器的电压输入端，所述的第四稳压芯片的电压输出端连接陀螺仪与加速度计模块的电压输入端。

优选地，所述的电机驱动模块包括驱动芯片和电机，所述的控制器的控制输出端连接驱动芯片的控制输入端，所述的驱动芯片的控制输出端连接电机的控制输入端。

优选地，所述的控制器为XS128单片机。

优选地，所述的编码器测速模块包括分别设置在两个车轮处的两个编码器，其中一个编码器的信号输出端连接控制器的脉冲计数通道，另一个编码器的信号输出端连接一个计数器的信号输入端，所述的计数器的信号输出端连接控制器的信号输入端。

本实用新型所述的一种光电智能平衡车的控制电路，其优点在于：

1、编码器测速模块获取车轮的转动速度，由于平衡车是直立行走的，所以设置陀螺仪与加速度计模块计算平衡车的倾斜角度，线性CCD模块获取平衡车行走路径信息，上述各个模块获取的信息发送到控制器进行处理，控制器根据接收的信息控制电机驱动模块，进而控制平衡车行进。通过上述的电路设计，使平衡车能够实现自动直立平稳行走。

2、电源模块由多片稳压芯片构成。外接电源为7.2V供电电池，可直接作为电机的供电电源。由于各个模块所需的工作电压不同，所以设置稳压芯片将外接电源的电压转化为5V及3.3V的电压，供所需的模块工作使用。

3、控制器选用XS128单片机，该系列的单片机控制稳定，成本较低。但由于其只有PT7通道具有脉冲计数功能。本实用新型需要对两个编码器进行脉冲计数，所以需要设置一个计数器对另一个车轮进行脉冲计数，以获得该车轮的转速信息。获取两个车轮的转速信号，根据该信号控制平衡车平稳行进。

附图说明

图1是本实用新型一种光电智能平衡车的控制电路的结构示意图；

图2是本实用新型一种光电智能平衡车的控制电路的电源模块的电路示意图；

图3是本实用新型一种光电智能平衡车的控制电路的陀螺仪的电路示意图；

图4是本实用新型一种光电智能平衡车的控制电路的加速度计的电路示意图。

附图标记说明：1-控制器，2-调试模块，3-陀螺仪与加速度计模块，4-编码器测速模块，5-电机驱动模块，6-线性CCD模块。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型所述的一种光电智能平衡车的控制电路，包括控制器1、调试模块2、陀螺仪与加速度计模块3、编码器测速模块4、电机驱动模块5和线性CCD模块6；所述的线性CCD模块6、陀螺仪与加速度计模块3和编码器测速模块4的信号输出端分别连接控制器1的三个信号输入端，所述的控制器1的控制输出端连接电机驱动模块5的控制输入端，所述的调试模块2与控制器1信号交互。

所述编码器测速模块的相关电路和具体结构是现有技术，如何运作也是现有技术，可使用如在先专利CN201120416014.3、CN201611149175.4、CN201710512277.6中所对应的相同编码器测速模块。本实用新型中所提及的各功能模块均为现有技术，本实用新型不对各功能模块的具体结构和相关程序做改进，只改进各功能模块间的连接关系。且各功能模块的相关程序均可从技术网站或技术教科书中获知，是本领域技术人员的公知常识。

控制器是控制电路的核心部分。MC9S12XS128是MC9S12系列的16位单片机，由16位中央处理单元(CPU12X)、128KB程序Flash(P-Flash)、8KB RAM、8KB数据Flash(D-Flash)组成片内存储器，同时还包括2个异步串行通信接口(SCI)、1个串行外设接口(SPI)、1个8通道输入捕捉/输出比较(IC/OC)定时器模块(TIM)、16通道12位A/D转换器(ADC)、一个8通道脉冲宽度调制模块(PWM)以及独立的输入/输出数字I/O口。该单片机能处理各种传感器采集传送来的数据(如CCD采集的跑道信息、编码器采集的速度信息、陀螺仪与加速度计采集的倾角信息等)，并对这些数据进行处理，形成适合当前情况的控制信息传送至电机，驱动电机完成自动行走。对于与物体运动相关的控制器程序和具体电路，是现有技术，如在先公开的专利CN201320014920.X、CN201610330129.8、CN201210411842.7、CN201520116279.X、CN201210526736.3等。

电机驱动模块5主要用于根据控制器输出的信号，控制电机运转，进而控制平衡车的行进。电机驱动模块5主要由驱动芯片组成，驱动芯片选用BTS7960驱动芯片，该芯片具有驱动电流大、芯片内阻小和开关频率高的优点。适合作为本实用新型的驱动芯片。平衡车为直立两轮平衡车，设置两个电机分别驱动两个车轮。驱动芯片设置四片，每两片驱动一个电机。

由于平衡车是直立行走，需要对平衡车的倾角数据进行采集，所以设置了陀螺仪与加速度计模块3对平衡车的倾角数据进行采集。陀螺仪与加速度计模块3包括三轴加速度传感器MMA7260和村田公司生产的ENC-03陀螺仪。MMA7260传感器输出的信号足够大，所以图4所示的加速度计电路主要是将陀螺仪信号进行放大滤波。陀螺仪电路如图3所示，将陀螺仪采集的信号发送至控制器1中。

编码器设置两个，分别设置在平衡车的两个车轮处。两个编码器均需要进行脉冲计数，但是由于XS128单片机只有PT7通道能进行脉冲计数，所以需要设置一个计数器进行外部计数，在通过计数器将计数结果发送至控制器中。

线性CCD模块采用的是TSL1401CL线性传感器。该传感器由128×1列的光电二极管组成，即读取线性CCD连接单片机的一个AD通道时就可以读取一行的128像素点的信息。而跑道信息的采集就依靠此传感器不断收集并传送给单片机，该模块是平衡车循迹行走极为重要的模块。

调试模块主要以串口调试为主，使用的是USB转TTL的模块板，模块板的具体电路和结构为现有技术，如CN201721444562.0、CN201320860399.1等，可以帮助查看调试过程中数据的变化。

还包括电源模块，所述的电源模块如图2所示，包括第一稳压芯片、第二稳压芯片、第三稳压芯片和第四稳压芯片，所述的第一稳压芯片和第二稳压芯片的电压输入端连接外接电源，所述的第一稳压芯片的电压输出端分别连接线性CCD模块6和编码器测速模块4的电压输入端；所述的第二稳压芯片的电压输出端分别连接第三稳压芯片和第四稳压芯片的电压输入端，所述的第三稳压芯片的电压输出端连接控制器1的电压输入端，所述的第四稳压芯片的电压输出端连接陀螺仪与加速度计模块3的电压输入端。平衡车采用电池供电，电池的供电电压为7.2V，而各个模块所需的电压各有不同，所以需要设置稳压芯片对电池提供的电压进行稳压和转换。电机所需的电压为7.2V，可由电池直接供电。线性CCD模块6与编码器测速模块4所需所需的电压为5V，所以需要设置稳压芯片对电压进行转换和稳压。第一稳压芯片和第二稳压芯片采用7815稳压芯片，将电池的供电电压转化为5V的稳定电压输出。第三芯片和第四芯片采用1117稳压芯片，将第二稳压芯片输出的5V的电压转化为3.3V的电压，提供给控制器、陀螺仪及加速度计使用。

平衡车的控制流程如下所述：陀螺仪和加速度计模块3采集的信号使平衡车处于直立状态。要使车体达到不同时刻的平衡需求，就需要知道此刻车体的倾斜角度。本实用新型选用了重力加速度传感器MMA7260来测量车模倾角。MMA7260是一款三轴加速度计，可以测量三个方向上的加速度模拟信号。本实用新型中，只需用到MMA7260在Z轴方向上产生的加速度数值。因为车子在行驶时抖动较大，会使得通过加速度计计算出的加速度与实际数值不符，以致无法根据输出信号准确得出车模的倾角。所以，在加速度计的基础上，再增加陀螺仪ENC-03，ENC-03利用了旋转坐标系中的物体会受到科里奥利力的原理，在器件中利用压电陶瓷做成振动单元，当旋转器件时会改变振动频率从而反映出物体旋转的角速度。对陀螺仪的角加速度进行积分，使之跟随重力加速度计的测量值，可获取一个平滑的倾角值。利用该倾角值进行PD计算并控制电机正反转以维持平衡车直立。

本实用新型中线性CCD作为平衡车的循迹模块，它可以采集跑道的变化信息，并将采集到的信息传送给单片机，使得单片机能根据当前的跑道信息变化作出判断，并以此做出能应对当前情况的控制指令。跑道是由白色的行走区域和两边的黑边(边界)组成，由于白色255和黑色0的色值相差很大，在CCD采集到的数值中，对于跑道的边缘会有明显的突变。可以利用这突变来判断路径轨迹。利用采样到的突变计算出跑道的中点，与设定的中点进行求差，再进行PID控制，使输出叠加到左右两轮(一加一减)，两轮就会产生速度差，从而达到需要的转向的目的。这种方法也称为：二值法。

平衡车行进速度的控制则由控制器根据编码器获得的两车轮的转速信息及结合上述两个模块的反馈信号对电机驱动进行综合控制。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本实用新型权利要求的保护范围之内。