【摘 要】本文简单介绍了自平衡小车的发展状况及理论基础，随后采用了陀螺仪、加速度计、倾角传感器、测距仪等传感器和AVR单片机作为控制系统，并结合PID算法设计了两轮自平衡小车。
【关键词】自平衡;AVR单片机;PID算法;传感器
0 引言
平衡车是一种电力驱动、具有自我平衡能力的个人用载具，是都市交通工具的一种，是一种前所未有的交通工具。目前常应用于个人交通、工作巡视、室内场馆、警察巡逻等场合。具有方便、快捷、实用等特点，受到各方的喜爱。其的核心部件就是控制系统，然而控制系统实现方式很多，本文采用AVR单片机的控制系统。
1 原理分析
自平衡小车的平衡控制是通过负反馈来实现的，车体只会在轮子滚动的方向上发生倾斜，控制轮子的转动，抵消在一个维度上倾斜的趋势便可以保持车体的平衡了。
对于高度为L，质量为m的简单倒立摆。受外力作用后，车模产生角加速度为x（t）。沿着垂直于车模底盘方向进行受力分析，得到车模倾角与车轮运动加速度a（t）以及外力加速度x（t）之间运动方程。此时有如下关系式：
当角度θ很小时，车模运动方程：
L■=gθ（t）-a（t）+Lx（t）（1）
对应车模静止时，即a（t）=0，由运动方程可得，系统输入输出的传递函数为：
H（s）=■=■（2）
此时系统的两个极点均位于S平面的右半平面，车模不稳定。需引入比例，微分反馈系统。引入比例、微分系统后，得系统传递函数为：
H（s）=■=■（3）
此时系统两个极点为：
S■=■（4）
此时，只需k1>g，k2>0，小车就能够保持直立稳定。上面的系数k1、k2分别称为比例和微分控制参数。其中微分参数k2相当于阻尼力，可以有效抑制小车的震荡。通过微分抑制震荡在速度控制和方向控制上同样适用。
综上可知，只要合适的角度传感器精确测量小车倾角θ的大小和角速度θ’的大小，并使用陀螺仪，以及高扭力电机控制小车车轮的加速度便可实现小车的平衡运动。
2 系统总体设计
根据自平衡小车要的需求，设计出总体结构图，如图1所示。本设计由控制系统，电机驱动模块，直流电机，角度传感器，陀螺仪，编码盘，无线通信模块等构成。
图1 总体结构图
通过比较，对各模块做如下选择。控制系统模块，采用AVR（ATmega16）单片机。角度控制模块采用MMA7361。陀螺仪模块采用ENC-03。电机驱动选择H桥专用芯片L298N芯片。考虑价格问题，电机选择直流减速电机，并采用普通的直流电机加一个减速箱构成直流减速电机。无线通讯模块采用RF24L01。
3 硬件电路设计
1）控制系统模块设计
对于图2上半部分电路，有以下几点说明：
（1）AVR单片机采用ATmega16，DIP-40双排直插式封装。
（2）晶振电路，时钟源由外部晶振产生，具体电路为图中的 Y1、C2、C3，在做电路板时应注意晶振和电容要靠近 12 脚和13 脚放置，如果放置过远可能会造成晶振不能起振，或工作不稳定。
（3）复位电路，复位电路包括上电复位和手动复位两部分，AVR单片机多为低电平复位，也就是说 RST（9）脚上只要有持续两个机器周期以上的低电平就能使单片机复位。
（4）编码盘整形电路有一片74LS04施密特触发器控制。可以很好的将编码盘的波形整形成方波。从而利于测试反馈给单片机。
2）电机驱动模块设计
对于图2中的L298N电机驱动电路，有以下几点说明：
（1）图中连接了两路电机，P2 和 P5 是一一对应关系，如果只驱动一路电机可以连接对应的 12 或者34 脚，电机的调速选择PWM（脉冲宽度调速）。
（2）八个续流二极管是为了消除电机转动时的尖峰电压保护电机而设计，简化电路时可以不加。
（3）6 脚和 11 脚为两路电机通道的使能开关，高电平使能，所以可以直接接高电平，也可以交由单片机控制。
3）传感器模块设计
对于图2中的传感器转接板模块，有以下几点说明：
（1）由于传感器采用转接模块，因此需要在系统主板上预留出两个传感器的转接板。
（2）EWTS82和MMA7361都是比较灵敏的传感器，因此固定式一定要牢固。否则小车在调整平衡时由于传感器的震荡而影响调整精度。
4 软件设计
软件模块共两项，分为平衡小车程序流程图和遥控器控制程序流程图，如图3所示。
图3 软件流程图
5 结论
两轮自平衡小车是一个集多种功能于一体的综合系统，是自动控制理论与动力学理论及技术相结合的研究课题，其关键问题是在完成自身平衡的同时，还能够适应各种环境下的控制任务。它是一种两轮共轴、独立驱动、车身中心位于车轮轴上方，通过运动保持平衡，可直立行走的复杂系统。由于特殊的结构，其适应地形变化能力强，运动灵活，可以胜任一些复杂环境里的工作。
【参考文献】
[1]黄有锐，曲立国.PID控制器参数整定与实现[M].北京：科学出版社，2010.
[2]范世珣，范大鹏，张智永，孙海洋.机电装置频率特性的数字化测试方法研究[J].动力学与控制学报，2007，5.
[3]丁学明，张培仁，杨兴明，徐勇明.基于单一输入法的两轮移动式倒立摆运动控制[J].系统仿真学报，2004，16.
[4]K Pathak， J Franch， S K Agrawal. Velocity and Position Control of a Wheeled Inverted Pendulum by Partial Feedback Linearization[J]. IEEE Trans. on Robotics， 2005.
[责任编辑：杨玉洁]