基于传感器系统的平衡车设计

李姝锐

摘 要 随着科学技术的发展，人们对于出行方式，要求更加方便、快捷、环保。基于此，本设计制作了一种具有平衡功能的智能车来满足人们对出行的需求。人们使用本设计时，通过倾角传感器来测量向前向后的具体倾角值和检测左右倾角的具体差值，将角度值转换成电信号的形式传递给单片机，再经单片机系统的内部运算输出指令信号，输入给运动装置，完成相应的动作指令，以实现平衡车安全平稳地行驶。经反复论证，验证了本设计的合理性与可行性。

关键词 传感器；单片机；陀螺仪

中图分类号 TP2 文献标识码 A 文章編号 2095-6363（2017）15-0103-01

1 概述

1）研究背景：在科技迅速发展的当代，科学家们对人类自身的研究日益深入，而与此同时，环境污染问题也日趋引起人们的重视，绿色出行越来越受到人们的青睐，随着美国科学家迪恩卡门开始针对人类走路平衡的问题进行研究，也推动了“动态稳定”的发展，使人们联想到可以利用动态平衡这一理念研发一种高效、轻便、零污染的出行代替传统的交通工具。于是，自动平衡车这一代步工具便逐渐参与到人们的日常生活中来。

2）研究现状：目前，在市面上我们经常见到的自动平衡车，主要有两种，一种是双轮车，其两轮结构重心在上，支点在下，相等于人的两只脚，但其在静态时处于一种不稳定状态；另外一种是独轮车，主要是靠电力驱动，采用站立式驾驶方式，两只脚放置在独轮踏板上，最终通过驾驶者的重心改变让独轮车执行前行转弯的命令，操纵车体的运行与静止。一般骑行速度可达15km/h，续航里程为15km～30km，承重可达120kg左右。操作规则简单，电源是一个小小的开关，打开开关站上去，前倾即为加速，后倾停止，左倾、右倾分别为向左、向右转弯。便于携带，自动平衡车一般自重10kg左右，体积较小，因此放在书包中就可以带走，办公室内即可充电，一个小时就可充满，下班骑行非常方便。自动平衡车还具有代步出行、移动视频、App应用和蓝牙音箱等功能配置，更广泛地被大众接受及使用。

2 总体设计

自动平衡车主要由3部分组成，包括检测模块、控制模块和执行模块。其中检测模块有压力检测模块、倾角检测模块；控制模块主要是单片机；执行模块主要包含运动装置及发光装置。

3 硬件设计

3.1 压力检测模块

主要是用于检测自动平衡车在使用过程中所受到的力的大小，再由其内部的压力传感器将检测到的实际压力值，转换成电信号的形式输送给单片机系统，再经单片机系统内部的运算，最终输出命令信号到运动装置以完成相应的动作指令。我们通常使用的压力传感器是利用压电效应制作而成，以膜片装置（不锈钢膜片、硅酮膜片等）为媒介，用感压元件对压力进行测量，并转换成电气信号输出的设备。

3.2 倾角检测模块

主要是用于自动平衡车在运行过程中检测由前后方向及左右方向倾角的大小与差值，将角度值转换成电信号的形式传递给单片机，再经单片机系统的内部运算输出指令信号，输入给运动装置，完成相应的动作指令，以实现平衡车安全平稳地行驶。倾角检测模块用到的是陀螺仪，主要是利用陀螺力学性质而制成的，其主要部分是一个以及高角速度绕旋转轴旋转的转子转子装在一支架内，并在其中心轴上装一內环架，正常情况下陀螺仪可环绕平面两轴做自由运动。当陀螺转子以高速旋转时，如有任何外加力矩作用于陀螺仪上，陀螺仪的自转轴可在惯性空间中的指向保持恒定不变，即指向一个固定的方向。但同时其也具有进动性，当转子高速旋转，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动，若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。

3.3 单片机

单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备组成。所谓的单片机自动完成赋予的任务的过程，就是一条条执行程序指令的过程。一条指令对应一种基本的操作，这是由设计人员赋予单片机的指令系统所决定的。而单片机所能执行的全部指令就是该单片机的指令系统，为使单片机能特定完成某一特定指令就必须要把要解决的问题编成一条条指令，这一系列指令的集合称为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。存储器由许多存储单元组成，就像一座大楼有许多房间组成一样，而指令就存放在这些单元，单元里的指令被取出执行时就如同大楼的每一房间都拥有一个房间号一样，每一存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号城存储单元的地址，这样只要知道存储单元的地址就能找到这一存储单元，那么其中存储的指令就能被取出执行。

4 软件设计

该制作通过压力检测模块用于检测压力，监控是否有人站在平衡车上。并将检测到的实时压力信号转换成电信号输送给单片机。该制作通过倾角检测模块检测平衡车前后左右的倾角变化，并将检测到的实时倾角信号转换成电信号输送给单片机。平衡车在行驶的过程中，当使用者向前倾时，倾角检测模块将检测到前后倾角变化转化成电信号传递给单片机，再经过单片机系统内部的运算，最终将向前运行的指令输出给传动装置，使平衡车前行；同理，当使用者向后倾时，平衡车向后行驶。还可以理解为前倾即为加速，后倾停止，左倾、右倾分别为向左、向右转弯。如果上坡时，使用者向前倾的幅度要大，但单片机会保证平衡车不向后退，而下坡时，使用者向后倾时，平衡车同样不会倒退。该制作的单片机是平衡车的主要工作机制，主要是将检测模块检测到的实时信号，经其内部程序的执行，再将经内部程序运算处理后得到的执行指令相应地传送给其对应的执行模块。相当于平衡车的大脑。该制作通过传动装置接收单片机系统输出的指令信号，并输出相应的运动形式。也就是用于执行动作指令，使平衡车运动起来。该制作通过发光装置的不同色彩的光表示平衡车不同的工作状态。主要用于提醒人们平衡车是否通电，感应使用者站在上面时平衡车的启动情况。当红灯亮时，表示平衡车处于工作状态但车上无人；当绿灯亮时，表示使用者在正常使用平衡车。其工作原理如图1所示。

5 结论

通过反复论证，验证了本设计的可行性与合理性，但本设计还存在着一定的局限与欠缺，比如：自动平衡的骑行技术难度高，虽然操作规则简单，但大多数人还是难以在较短时间内掌握骑行的要领在前倾加速时站不稳，左右转是不好控制，特别是刚开始上车时不易保持平衡；安全系数较低，上车及转弯时技术难掌握，且无扶手；行驶用道局限，不允许在机动车道及非机动车道上行驶；站立骑行比较累等等，这些都是有待攻克的

难关。

参考文献

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