敬请登录网站在线投稿２０１７年第３期
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载人自平衡电动独轮车的控制系统设计
叶秀敏，魏巍
（杭州电子科技大学电子信息学院，杭州３１００１８）
摘要：针对电动独轮车的载人自平衡功能，建立电动独轮车控制系统，设计控制系统的硬件和软件。硬件部分主要由以STM３２单片机为核心的控制系统、M PU６０５０姿态感知系统、电机驱动系统和直流无刷电机等模块组成。软件部分是在KEIL软件平台下采用C语言编写程序，主要实现对采集到的姿态数据进行卡尔曼滤波处理、PID控制算法以及电机驱动等功能。研究结果表明，电动独轮车具有较好的载人自平衡效果。
关键词：电动独轮车；自平衡；卡尔曼滤波；PID控制算法
中图分类号：T P１３文献标识码：A
ＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｏｆＭａｎＲｉｄｉｎｇＳｅｌｆ‐ｂａｌａｎｃｉｎｇＥｌｅｃｔｒｉｃＵｎｉｃｙｃｌｅ
ＹｅＸｉｕｍｉｎ，ＷｅｉＷｅｉ
（College of Electronic Information，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou３１００１８，China）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Aiming at the riding and self‐balancing function of electric unicycle，the electric unicycle control system is established，and the hardware and software of the control system are designed．The hardware parts include the control system using the STM３２MCU，the M PU６０５０attitude perception system，the motor drive system and the brushless DC motor．The software is programed on the KEIL soft‐ware platform，which using C language．The collected attitude data is applied with Kalman filter，the PID control algorithm and motor drive are achieved by the program．The research results show that the electric unicycle has better self‐balancing effect．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：electric unicycle；self‐balancing；Kalman filter；PID control algorithm
引言
由于近年来汽油价格的显著提高和化石燃料造成的全球变暖问题，许多节能环保的轻量级交通工具应运而生。例如，电动自行车和电动汽车已经被广泛用于人们的短途运输中。作为一种新型的智能代步工具，载人自平衡电动独轮车也逐渐出现在人们的生活中，这是一种仅靠直流电机驱动的、结构紧凑的、由软件控制的机电一体化产品［１‐２］。载人自平衡电动独轮车可以被看作是一种特殊的轮式移动倒立摆，通过驱动车轮来实现自我平衡。通过骑行者重心前后移动实现独轮车向前和向后运动，而左右方向的平衡则通过身体来控制。
１系统结构
图１解释了骑行电动独轮车的工作原理，如果骑手向前倾斜，电动独轮车将向前运动以保持骑手的身体不倾倒。同样，如果骑手向后倾斜，电动独轮车将向后运动以保持骑手的稳定。
电动独轮车的系统框图如图２所示
，控制模块采用
图１骑行电动独轮车示意图
ＳＴＭ３２单片机来执行自平衡控制算法。姿态检测模块采用M PU６０５０六轴传感器，其整合了陀螺仪和加速度传感器。传感器检测倾角信号和角速度信号，在单片机内部经过一系列控制算法，最终输出控制信号给驱动模块，以驱动电机转动。
２硬件系统设计
２．１电压变换模块
电压变换模块包含３个子部分，分别是６０V转１５V 电压变换电路、１５V转５V电压变换电路、５V转３．３V电压变换电路。６０V转１５V电压变换电路采用串联型稳压电路［３］，将６０V锂电池的输入电压转换成１５V的输出电
万方数据