專利名稱：直立自平衡智能車的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計算機應用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種智能小車，特別是一種直立自平衡智能車，可用于本科、研究生的科技實驗課程，可納入自動控制原理教學的課程中，亦可用于大學生科技競賽項目。
背景技術(shù)：
當今社會科學技術(shù)迅猛發(fā)展，汽車電子的發(fā)展讓汽車變得越來越智能化，汽車自動導航技術(shù)是機器人導航技術(shù)的延伸和應用，目前已受廣泛關(guān)注。為改變傳統(tǒng)的汽車“人-車-環(huán)境”閉環(huán)控制方式，提高交通系統(tǒng)效率和安全性，各大企業(yè)和高校致力于智能汽車的研究和開發(fā)。從過去的汽車自主導航系統(tǒng)到無人駕駛汽車，都承載著人類對滿足現(xiàn)代社會要求的高性能智能汽車的無止境追求。 對于高校而言，其培養(yǎng)的學生在祖國未來現(xiàn)代化建設中將承擔創(chuàng)新的主體，我國汽車技術(shù)相對于國外，整體水平比較落后，為快速提升我國科學技術(shù)水平，提高高校學生的科技創(chuàng)新能力至關(guān)重要，而我國高校汽車科技實驗教學中，作為實驗活動中使用的教具小車，其控制電路是由分列元件組成，小車的整體結(jié)構(gòu)比較粗糙也不夠科學合理，對于廣大學生都熟知的汽車電子科技創(chuàng)新大賽即飛思卡爾杯全國大學生智能車競賽而言，每年的競賽規(guī)則變化很小，參賽的學校基本上都是沿用上年的機械和軟件思路，有的學校甚至是直接拿來主義，出現(xiàn)了克隆車或復制車，這不僅不利于學生的科技創(chuàng)新能力和動手能力的提高，反而擾亂了公平競賽的規(guī)則。

發(fā)明內(nèi)容
為了提供一種可用于本科、研究生的汽車科技實驗，本發(fā)明的目的在于，提供一種直立自平衡智能車?？杉{入自動控制原理教學課程，提高學生科技創(chuàng)新興趣和動手能力的
>J-U ρ α裝直。為了實現(xiàn)上述任務，本發(fā)明采用以下技術(shù)解決方案來實現(xiàn)的一種直立自平衡智能車，其特征在于，包括車體盤、主控板、LED顯示板、傾角檢測板、速度檢測模塊和驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪；所述的主控板用于直立自平衡智能車的控制，包括主控制芯片、電機驅(qū)動模塊和按鍵儲存模塊；其中主控制芯片采用16位單片機MC9S12XS128 ;電機驅(qū)動模塊采用4個ΒΤΝ7970和2個74LS244組成的兩個H橋驅(qū)動電路；按鍵儲存模塊包括8個圓形貼片按鍵和一個8位24C02數(shù)據(jù)儲存芯片，按鍵存儲模塊與LED顯示板(3)配合使用用以改變車模各項運行參數(shù)；所述的LED顯示板，用于直立自平衡智能車前期參數(shù)的調(diào)節(jié)，提高車模調(diào)試效率及設置直立自平衡車的運動模式；所述的傾角檢測板包括一個ΜΜΑ8451加速度計傳感器和兩個陀螺儀ENC-03，其中ΜΜΑ8451加速度計傳感器用于檢測自由落體、運動和振動狀態(tài)下的傾角信號，陀螺儀ENC-03，用于檢測運動過程中車輛俯仰和航向角加速度；所述的速度檢測模塊采用兩個NEDIC157編碼器與電機相連，NEDIC157編碼器每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生157個方波脈沖，NEDIC157編碼器信號輸出端與主芯片MC9S12XS128的PTO和PTl 口相連，PTO和PTl為主芯片MC9S12XS128的兩個外部輸入捕捉端口，主芯片MC9S12XS128根據(jù)NEDIC157編碼器產(chǎn)生的方波信號個數(shù)計算左右驅(qū)動輪的速度；所述的驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪包括車體盤底部兩側(cè)的兩個橡膠輪胎，用于為維持車輛直立平衡、車輛前進和車輛轉(zhuǎn)彎提供動力。本發(fā)明的直立自平衡智能車，可實現(xiàn)車模直立靜止、直立前行、直立后退、直立前行左右轉(zhuǎn)彎和直立后退左右轉(zhuǎn)彎等功能?？捎糜诒究啤⒀芯可淖詣涌刂圃斫虒W課程中；產(chǎn)品的性價比高，適合廣大大學生；通過使用智能車主控板可熟悉MC9S12XS系列單片機的原理和編程技巧，掌握數(shù)字加速度計和陀螺儀的使用方法和控制原理，易制作易學習，提高學生的動手能力和科技創(chuàng)新能力，增加學生從事智能汽車開發(fā)研究的興趣。


·圖I為直立自平衡智能車的示意圖。圖2為主芯片MC9S12XS128功能引腳圖。圖3為驅(qū)動電機H橋電路圖。圖4為加速度傳感器MMA8451連接電路圖。圖5為陀螺ENC-03連接電路圖。圖6為LED顯示屏與按鍵電路圖。圖7為直立自平衡智能車的實物圖。下面結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明作進一步闡述。
具體實施例方式圖I所描述的是本實施例給出的一種直立自平衡智能車的結(jié)構(gòu)示意圖，包括車體盤I、主控板2、LED顯示板3、傾角檢測板4、速度檢測模塊5和驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪6。車體盤I采用塑料制成，各個部件緊固在車體盤I上，整體質(zhì)量輕盈，安全穩(wěn)固。所述的主控板2用于直立自平衡智能車的控制，包括主控制芯片、電機驅(qū)動模塊和按鍵儲存模塊；其中，主控制芯片采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的16位單片機MC9S12XS128。所述的車體盤I由塑料制成，車體盤I底部兩側(cè)均安裝有驅(qū)動電機，驅(qū)動電機外側(cè)安裝驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪6，用于維持車輛直立平衡、車輛前進和車輛轉(zhuǎn)彎提供動力。所述的主控板2包括主控制芯片、電機驅(qū)動模塊和按鍵儲存模塊。其中主控制芯片采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的16位單片機MC9S12XS128，MC9S12XS128芯片由5V供電，芯片內(nèi)部含有128K的Flash存儲器，8K的RAM，8K的EEPR0M，兩路串行通信接口，一路串行外圍接口，8路定時器通道，2個八路可調(diào)轉(zhuǎn)換精度的A/D 口，8路PWM輸出，I路內(nèi)部計數(shù)器等，芯片主頻可超調(diào)到80MHz至96MHz。其具有供電電壓低，響應速度快，處理速度高，價格低廉等優(yōu)點，完全滿足直立自平衡智能車的控制。電機驅(qū)動模塊包括4個BTN7970和2個74LS244組成的兩個H橋驅(qū)動電路，半橋芯片BTN7970具有電流檢測、過溫、過壓、欠壓、過流和短路保護等診斷功能，組成的全橋驅(qū)動電路最大通過電流可達43A。電機驅(qū)動I旲塊由王控制芯片的四路PWM波控制，為減少PWM 口的使用，提聞芯片運行效率，電機驅(qū)動模塊還包括74HC08與門芯片，將四路PWM 口控制減少到兩路。按鍵儲存模塊包括8個圓形貼片按鍵和一個8位24C02數(shù)據(jù)儲存芯片，按鍵存儲模塊與LED顯示板配合使用，用以改變車模各項運行參數(shù)，使直立自平衡智能車達到快速穩(wěn)定可靠的工作性能。本實施例中，LED顯示板3采用了 LED5110顯示屏，用于直立自平衡智能車前期參數(shù)的調(diào)節(jié)，提高車模調(diào)試效率及設置直立自平衡車的運動模式。傾角檢測板4，包括一個MMA8451加速度計傳感器和兩個陀螺儀ENC-03。MMA8451加速度計傳感器為飛思卡爾公司生產(chǎn)，具有8/14位可選輸出精度，輸出數(shù)據(jù)速率最高可達800Hz，可檢測自由落體、運動和振動狀態(tài)下的傾角信號，MMA8451加速度計傳感器直接輸出數(shù)字信號，不需經(jīng)過放大電路。兩個ENC-03陀螺儀為飛思卡爾公司生產(chǎn)，用于檢測運動過程中車輛俯仰和航向角加速度。陀螺儀ENC-03檢測信號微弱，需經(jīng)過放大電路后將放大信 號與MMA8451加速度計傳感器產(chǎn)生的加速度信號進行互通濾波，得到平滑的傾角曲線。速度檢測模塊5采用兩個NEDIC157編碼器與電機相連，NEDIC157編碼器是日本NEDIC公司生產(chǎn)的，NEDIC157編碼器每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生157個方波脈沖。NEDIC157編碼器信號輸出端與主芯片MC9S12XS128的PTO和PTl 口相連，PTO和PTl為主芯片MC9S12XS128的兩個外部輸入捕捉端口，主芯片MC9S12XS128根據(jù)NEDIC157編碼器產(chǎn)生的方波信號個數(shù)計算左右驅(qū)動輪的速度。所述速度檢測模塊5采用“乒乓”算法。 為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、技術(shù)特征、達成目的與功效使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員易于明白了解，以下給出詳細的制作過程如圖2所示的是主控芯片MC9S12XS128功能引腳圖，主控芯片MC9S12XS128需實現(xiàn)功能有控車模直立靜止和控制車模直立前行后退和轉(zhuǎn)彎。主控芯片MC9S12XS128的三個14位精度的A/D轉(zhuǎn)換接口與傾角檢測板4相連，獲取傾角檢測板4中加速度計MMA8451和陀螺儀ENC-03檢測信號，經(jīng)互通濾波后獲得平滑的傾角曲線。主控芯片MC9S12XS128控制車模直立采用H)算法，平滑濾波后傾角乘以系數(shù)P與陀螺儀ENC-03檢測的角加速度乘以系數(shù)D求和，主控板2將求和量經(jīng)電機驅(qū)動模塊直接供于車模兩側(cè)電機。主控芯片MC9S12XS128經(jīng)由兩路外部中斷輸入捕捉口 PTO、PTl檢測車輪轉(zhuǎn)速，為保證檢測到準確的轉(zhuǎn)速信號，主控芯片內(nèi)部中斷采用“乒乓”算法即PTO 口采集信號時關(guān)閉PTl的中斷使能，PTO 口采集數(shù)據(jù)完畢后開啟PTl 口中斷使能同時關(guān)閉PTO的中斷使能。主控板2將檢測到的車輪轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)化為當前車速信息，當前車速與設定車速進行比較，將其差值進行積分，積分值乘以系數(shù)I與當前測速值乘以P后求和，求和值經(jīng)由電機驅(qū)動模塊直接加載于電機。如圖3所示為驅(qū)動芯片BTN7970和與門芯片74HC08組成的H橋驅(qū)動電路，主芯片MC9S12XS128的I/O 口 PMO和PM2同時置O時，H橋驅(qū)動電路輸出兩端電壓差為0，電機靜止；ΡΜ0置O、PM2置1，在PWM5有方波輸出時，H橋驅(qū)動電路兩端有電壓差，此時電機正轉(zhuǎn)；PMO置1、PM2置0，在PWM5有方波輸出時，電機反轉(zhuǎn)。若PWM5無方波輸出，電機靜止。H橋驅(qū)動電路最大通過電流可達43A，響應頻率為IOKhz。圖4、圖5所示的是傾角檢測模塊4的加速度計傳感器MMA8451和陀螺儀ENC-03的連接電路圖。加速度計傳感器MMA8451檢測的傾角信號輸出端直接與主芯片MC9S12XS128的A/D轉(zhuǎn)換口相連，兩路陀螺儀ENC-03檢測到的角加速度信號很微弱，需經(jīng)放大電路放大，為保證放大后的角加速度信號足夠大同時沒有過沖現(xiàn)象，選定放大電路的放大倍數(shù)為5. I倍(R1/R2)。兩路放大后的角加速度信號，其中一路與MMA8451檢測的加速度信號進行互通濾波處理，得到平滑的傾角曲線，將平滑后的傾角值與加速度信號進行H)控制后由主控板直接供電于電機保持車模直立；另一路陀螺儀ENC-03放大后角加速度信號用于快速轉(zhuǎn)彎時防止車模過沖影響其行駛穩(wěn)定性。由于陀螺儀溫漂的存在，不同使用環(huán)境陀螺儀初始值不同，為保證直立自平衡智能車(以下簡稱車模)平穩(wěn)可靠的運行，每次車模運行前程序首先獲取當前環(huán)境陀螺儀初始值。本實施例中，LED顯示板3選擇LED5110顯示屏，圖6所示為LED5110顯示屏和按鍵存儲模塊連接電路圖。通過LED5110顯示屏和按鍵存儲模塊改變和保存當前參數(shù)值，可用于提高車模調(diào)試效率，查看和設定車模運行狀態(tài)。具體運行過程為開機前盡量保持車模處于垂直位置并保持靜止，打開電源開關(guān)，程序自動提取陀螺儀ENC-03的初始值后車模開始運行，運行過程中主控板2通過主控芯片MC9S12XS128的14位A/D轉(zhuǎn)換端口提取傾角檢測板4的數(shù)字加速度計傳感器MMA8451和陀螺儀ENC-03的檢測信號并進行互通濾波得到平滑傾角曲線。擬合后傾角乘以系數(shù)P與ENC-03檢測的角加速度信號乘以系數(shù)D求和，將求和的值通過主控板I的電機驅(qū)動模塊供電于電機，若求和值為負數(shù)，主控芯片MC9S12XS128置PMO為0，PM2為1，求和絕對值賦值于PW5，此時電機正轉(zhuǎn)；若求和為正數(shù)，主控芯片MC9S12XS128置PMO為1，PM2為0，求和絕對值賦值于PW5，此時電機反轉(zhuǎn)。這樣可保證車模維持直立平衡。為實現(xiàn)車模直立靜止或直立前行后退等功能，主控板2通過主控芯片 MC9S12XS128的外部輸入捕捉口 PT0、PT1提取車體盤I底部兩側(cè)的NEDIC157編碼器信號，提取信號采用“乒乓”算法，將提取兩側(cè)電機轉(zhuǎn)速求和可得當前車模運行速度。當前車模運行速度與設定速度求差，將差值進行積分，積分值乘以系數(shù)I與當前車速乘以系數(shù)P求和，若求和值為正，主控板2控制電機驅(qū)動模塊降低電機轉(zhuǎn)速或使之反轉(zhuǎn)；若求和值為負，主控板2控制電機驅(qū)動模塊提高電機供電電壓加快其轉(zhuǎn)速。為實現(xiàn)車模直立轉(zhuǎn)彎，通過LED顯示板3設置左右輪轉(zhuǎn)速差，經(jīng)由主控板2將差值轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電壓，分別與左右電機進行加減。為保證轉(zhuǎn)彎平穩(wěn)順利，主控芯片MC9S12XS128需提取陀螺儀ENC-03檢測的車模航向角加速度信號，將此信號乘以系數(shù)P后經(jīng)由電機驅(qū)動模塊轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電壓分別與左右電機進行減加。本實施例制成的直立自平衡智能車，可實現(xiàn)的功能有直立靜止、直立前行、直立后退、直立前行左右轉(zhuǎn)彎、直立后退左右轉(zhuǎn)彎。通過LED顯示板3設置車模運行狀態(tài)。如圖7所示為直立自平衡智能車直立靜止圖片。以上描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，例如對于上述各技術(shù)特征的增加和一些技術(shù)特征的簡單代換，這些變化和改進都應當屬于本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種直立自平衡智能車，其特征在于，包括車體盤(I)、主控板(2)、LED顯示板(3)、傾角檢測板(4 )、速度檢測模塊(5 )和驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪(6 ); 所述的主控板(2)用于直立自平衡智能車的控制，包括主控制芯片、電機驅(qū)動模塊和按鍵儲存模塊；其中主控制芯片采用16位單片機MC9S12XS128 ;電機驅(qū)動模塊采用4個BTN7970和2個74LS244組成的兩個H橋驅(qū)動電路；按鍵儲存模塊包括8個圓形貼片按鍵和一個8位24C02數(shù)據(jù)儲存芯片，按鍵存儲模塊與LED顯示板(3)配合使用用以改變車模各項運行參數(shù)； 所述的LED顯示板(3)，用于直立自平衡智能車前期參數(shù)的調(diào)節(jié)，提高車模調(diào)試效率及設置直立自平衡車的運動模式； 所述的傾角檢測板(4)包括一個MMA8451加速度計傳感器和兩個陀螺儀ENC-03，其中MMA8451加速度計傳感器用于檢測自由落體、運動和振動狀態(tài)下的傾角信號，陀螺儀ENC-03，用于檢測運動過程中車輛俯仰和航向角加速度； 所述的速度檢測模塊(5)采用兩個NEDIC157編碼器與電機相連，NEDIC157編碼器每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生157個方波脈沖，NEDIC157編碼器信號輸出端與主芯片MC9S12XS128的PTO和PTl口相連，PTO和PTl為主芯片MC9S12XS128的兩個外部輸入捕捉端口，主芯片MC9S12XS128根據(jù)NEDIC157編碼器產(chǎn)生的方波信號個數(shù)計算左右驅(qū)動輪的速度； 所述的驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪(6 )包括車體盤底部兩側(cè)的兩個橡膠輪胎，用于維持車輛直立平衡、車輛前進和車輛轉(zhuǎn)彎供動力。
2.如權(quán)利要求I所述的直立自平衡智能車，其特征在于，所述的LED顯示板(3)采用LED5110顯示屏。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直立自平衡智能車，包括車體盤、主控板、LED顯示板、傾角檢測板、速度檢測模塊和驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪。主控板采用MC9S12XS128單片機，具有供電電壓低，響應速度快，處理速度高，價格低廉等優(yōu)點?？蓪崿F(xiàn)車模直立靜止、直立前行、直立后退、直立前行左右轉(zhuǎn)彎和直立后退左右轉(zhuǎn)彎等功能?？捎糜诒究啤⒀芯可淖詣涌刂圃斫虒W課程中；產(chǎn)品的性價比高，適合廣大大學生；通過使用智能車主控板可熟悉MC9S12XS系列單片機的原理和編程技巧，掌握數(shù)字加速度計和陀螺儀的使用方法和控制原理，易制作易學習，提高學生的動手能力和科技創(chuàng)新能力，增加學生從事智能汽車開發(fā)研究的興趣。
文檔編號G09B25/02GK102890890SQ20121041184
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月24日
發(fā)明者李龍輝, 鞏建強, 王黨青, 喬潔, 白苡琨, 姚丁茂, 梅迎, 胡杰, 胡新, 王鵬, 康雨 申請人:長安大學