基KEA128电磁感应衡车硬件电路设计
基KEA128电磁感应衡车系统硬件电路设计
摘
两轮衡车具车体模型体积快速转种环境工作等特点项研究成果已交通运输工业动化生活娱乐等方面投入计算机技术电子技术高速发展情况动驾驶智车够独立前环境进行感知快速做出反应进行加减速转等操作已成前动控制领域研究热点
教育部举办恩智浦（原飞思卡尔）智车赛项针动控制领域前研究热点竞赛广科生提供够研究应动控制技术台文第十届恩智浦智车赛背景运S9KEAZ128AMLK单片机设计种通电磁感应识道路两轮衡车系统
文首先建立力学模型衡车控制原理进行分析通系统需求分析单片机型号进行选型整体务进行分解模块化方式项功进行实现完成系统衡控制速度控制方控制道路识等务
机械结构进行搭建模块合理安装车模完成系统硬件电路设计功实现
关键词：两轮衡车S9KEAZ128AMLK单片机力学模型硬件电路设计
Hardware Circuit Design of Electromagnetic Induction Balance Car System Based on KEA128
Abstract
The twowheeled selfbalancing car has the characteristics of small size fast steering and can work in various environments Many of its research results have been put into use in transportation automated production and entertainment With the rapid development of computer technology and electronic technology selfdriving smart cars can independently sense the current environment and quickly respond to acceleration deceleration steering and other operations which has become a research hotspot in the field of automatic control
The NXP (formerly Freescale) Smart Car Competition held by the Ministry of Education is a competition that focuses on current research hotspots in the field of automatic control It provides a platform for undergraduates to study and apply automatic control technology Based on the eleventh NXP Smart Car Competition this paper uses the S9KEAZ128AMLK microcontroller to design a twowheeled selfbalancing car system that recognizes roads through electromagnetic induction
In this paper the force analysis model is first established to analyze the control principle of the balance car Through the analysis of the demand of the system the model of the singlechip microcontroller is selected Furthermore the overall task is decomposed and various functions are implemented in a modular manner to complete each task finally
Finally the mechanical structure is built and the modules are reasonably installed on the car model and the hardware circuit design and function implementation of the system are completed
Keywords twowheeled selfbalancing vehicle S9KEAZ128AMLK microcontroller mechanical model
目 录
1绪 1
11引言 1
12国外研究现状 1
13 文研究容 3
14 章结 4
2系统原理介绍模型分析 4
21 直立控制原理 4
22 速度控制原理 7
23 道路识原理 7
24 方控制原理 8
25 章结 8
3硬件电路设计 8
31 总体设计 8
32 单片机介绍 10
33 电源理模块 11
34 电机驱动模块 13
35 速度检测模块 14
36 倾角测定模块 15
37 电磁感应模块 16
38 蓝牙通讯模块 17
39章结 17
4系统安装调试 18
41 两轮直立衡车车体模型介绍 18
42 编码器安装调试 18
43 电路电池安装 19
44 前瞻电感安装 20
45 系统调试参数整定 22
46 章结 24
5结展 24
51 结 24
52 展 25
参考文献 26
致 谢 27
附 录 28
1绪
11引言
着电子技术工智5G技术断发展成熟机器作集成技术代表越越受国重视般研究中机器般分移动移动两类移动机器移动性高场合成领域研究热点移动机器般通安装车轮履带结合仿生学安装机械腿等方式进行移动中安装车轮轮式机器着生产成低容易控制等优点实际应应更广泛
众类型轮式机器中两轮衡车具车体模型体积结构简单机动性高等特点应狭空间类危险复杂环境中进行探测工作巨发展空间应前景两轮衡车两车轮高度稳定系统需电机驱动两车轮通运动保持衡然结构简单系统特征十分复杂通两轮衡车种基倒立摆系统模型研究类推出种类机器控制方式应相关类型领域两轮衡车种良动控制系统实验台够控制算法控制理进行研究检验[1]
文研究两轮衡车交通运输工业动化生活娱乐中着广泛应交通运输方面体积巧转弯灵活价格适中两轮电动代步车满足众短距离代步需求成新代代步工具[2]工业动化方面体现物流运输应[3]生活娱乐方面消费者喜爱玩具[4]两轮衡车研究学仅够培养综合力实践力社会生活等方面具重研究意义
12国外研究现状
世纪末开始国外针两轮衡车初步研究1980年日山藤高桥教授[5]文中阐述关两轮衡车理解毫前验情况应限技术制作台两轮衡车该衡车仅做前运动法针道路情况进行转弯等操作
2001年美国Segway公司生产Segway两轮衡车推市场令衡车进入公众视野[6]图11示Segway衡车承受成年重量置姿态传感器令驾驶者通身体重心改变控制双轮车前进退转弯加速减速等动作
图11 驾驶Segway图
2002年瑞士Felix Grasser团队制作基陀螺仪感知身倾斜状态衡车Joe图12示该衡车陀螺仪倾斜角度变化时会产生电压控芯片通读取陀螺仪电压值前倾斜角度进行计算做出相应调整控制车轮运动保持衡
图12 Joe衡车
针轮式机器研究程中开发者考虑轮式机器结合运动方式进行改进2017年美国Boston Dynamics公司参考形机器特点两轮衡车结合制作全新形态衡机器Handle图13示Handle拥两轮衡车转灵活特点具形机器特殊环境工作力
图13 Handle机器
目前国开展针两轮衡机器研究时相关企业逐渐开展两轮衡车业务两轮衡车商业化走进生活中
2003年院校合作研究制作国第两轮衡机器[7]2009年西安电子科技学针SPCE061A单片机进行研究该单片机控芯片制作种新型两轮衡机器该机器安装感知前倾斜角度传感器机器倾倒趋势时候控芯片读取传感器数通电机驱动车轮保持衡情况运动2012年纳恩博电动衡车公司致力衡车商化衡车作代步工具进行出售衡车逐渐进入公众视野2015年米科技收购电动衡车鼻祖Segway推出重量仅128kg行驶速度达168kmh米九号衡车
述研究成果市场概况值鉴方提供未研究方研究成果概括建立合适衡模型基础通类传感器陀螺仪加速度计倾角传感器等高速控制芯片合作采高效控制算法进行实时处理根实际情况做出相应调整保持衡
13 文研究容
文参考量国外相关领域文献资料两轮衡车系统研究台重点研究系统力学模型结合硬件电路设计通实现两轮衡车研究制作更完成两轮衡车直立行走动识道路务文采取模块化设计理念务分模块进行研究实现具体容：
（1）根两轮衡车结构特点直立特性建立研究衡状态力学模型通力学模型理分析出直立衡条件根条件提出动控制方案
（2）两轮衡车选取适合核心控制芯片达高速处理类信息目时研究型号陀螺仪加速度计工字电感等传感器系统提供实时衡车倾角角速度方等具体数实时调整身姿态方
（3）研究控电路设计搭建电源理电路电机驱动电路电磁感应分析电路等配合类传感器电子元器件完成整电路框架搭建
（4）系统模型更加稳定需研究机械结构电机编码器电磁感应支架等安装合适位置降低重心车辆运行时更加稳
（5）配合控制算法搭建完整运行两轮衡车系统铺交流电线路循迹稳定行驶
14 章结
章首先阐述两轮衡车研究背景提出两轮衡车重研究意义综合国外两轮衡车研究状况进行讨体现文研究方正确性文研究容进行概括性阐述
2系统原理介绍模型分析
21 直立控制原理
两轮直立衡车直立控制通负反馈机制实现谓负反馈机制通安装车模倾角传感器采集倾斜角度倾斜趋势（加速度）通控制电机控制轮子转动抵消倾斜趋势便令车身保持衡图21示
图21 运动衡示意图
更说明两轮衡车模型控制方式文建立两轮衡车力学模型理说明衡车控制方式首先衡车衡方式进行观察简化模型类似底部运动倒立摆模型直接研究倒立摆模型便理解文单摆模型进行类研究图22示
图22 单摆模型车模简化倒立摆模型
首先建立单摆模型假设重物放固定点通根线连接进行受力分析图23示
图23 单摆模型受力分析
该重物衡状态会保持中垂线位置重物离开中垂线位置脱离衡状态会受重力线拉力合力
（式21）
合力作重物会空气中做复运动终会空气阻尼力恢复初始中垂线衡位置程持续时间会着偏移角增增时会着空气阻尼力增减出结重物稳定衡点受偏移角方相反合力受运动方相反空气阻尼力
倒立摆模型进行受力分析图24示
图24 倒立摆模型受力分析
倒立摆偏离中垂线位置时单摆样然回中垂线倒立摆偏离中垂线会受合力运动方相会令倒立摆回中垂线位置终令倒立摆倒倒立摆够单摆模型样重新回中垂线位置需倒立摆额外力该力需运动方相反帮助倒立摆回中垂线位置
倒立摆驱动电机控制车轮提供需全部动力令倒立摆受额外力需令车轮作加速运动时整倒立摆受合力：
（式22）
式中进行线性化处理假设负反馈控制车轮加速度偏角成正例设重力加速度果合力方倒立摆运动方相反时倒立摆力恢复衡位置文两轮直立衡出需应种环境需快速做出响应需令倒立摆恢复衡速度更快需增阻尼力文述阻尼力指空气中存空气摩擦力空气摩擦力现实中种忽略计力需外增加控制阻尼力时式22变
（式23）
式中倾角角速度两项保持衡需加速度式24示
（式24）
式中例系数两项相加作车轮加速度控制量满足条件车模便单摆样稳定直立状态适增加车模恢复衡速度更快
述分析知令车模保持稳定衡条件获车模倾角角速度精确数控制车模底部车轮加速度
22 速度控制原理
相四轮速度控制两轮直立衡车速度控制更复杂车轮通加速保证车模衡时需运动程中控制车模行驶速度驱动电机控制需更策略
文直立控制原理中知车模没外力情况会侧倾倒重力存会加速倾倒辆没动力衡车开始前倾情况会前运动直车模倒时车模安装采集倾角传感器便起重作传感器感知车模前倾趋势时车模保持定前倾角度车模会定速度前行驶倒退理控制速度通控制车模倾角实现
控制车模倾角维持需角度需车模动力进行研究驱动车轮转动电机车模唯动力源然电机返回具体速度参数通电机安装光电编码器方式通脉信号计算电机转速
23 道路识原理
文系统调试环境总长约20米PVC材质跑道道路元素包括直道弯道十字路口环岛路段等道路中央铺设根通交变电流漆包线根麦克斯韦电磁场理交变电流会周围产生突变电磁场电磁场中放置电感线圈电磁感应会线圈产生交变电流毕奥萨伐定理知单电感感应电动势
（式25）
式中例系数电感高度电感距离中心线水距离
两轮直立衡车道路识通车模前端安装电磁感应线圈实现文车模前端水安装电感车模偏离道路中心时检测感应电动势会减计算出车模道路中心线偏离距离时做出响应调整图25说明种情况
图25 电感线圈偏移影响感应电动势
24 方控制原理
道路识原理知两轮直立衡车通电磁感应识前道路直道者弯道遇弯道时车模便需通方控制弯道行驶避免驶出道路
车模转需两车轮前转速差该转速差通安装驱动电机编码器获通测电机转速计算出两车轮转速差时车模前进行方道路识模块提供响应电磁感应电压车模通电磁感应电压控制电机调整前两车轮转速差实现车模转某特殊路段十字路口环岛路口会出现两根通交流电漆包线交叉重叠情况时需程序中做特殊处理十字路口垂直横跨前道路漆包线时左转右转判定十字路口前直行
实际系统中车模会安装诸电池支架电路板等较重物体道路运行程中会身重量较惯性高速行驶转弯程中容易较惯性出道路防止种现象发生首先需降低车模重心时需检测车模转动速度需转弯时降低车模速度保持车模稳定
25 章结
章应模块化设计理念复杂两轮直立衡车直立行走务分解成较易实现模块进行研究模块原理进行分析时模块实现制定致方案续硬件设计良基础
3硬件电路设计
31 总体设计
硬件电路设计两轮直立衡控制系统部分稳定高效硬件电路实现控制策略控制算法基础文采恩智浦NXP公司生产Kinetis KEA128系列S9KEAZ128AMLK单片机基该单片机系统电路模块进行逐步设计终设计出完整硬件电路
两轮衡车硬件部分单片机系统电源理模块电机驱动模块速度检测模块倾角测定模块电磁感应模块蓝牙通讯模块硬件设备组成控制系统通单片机控制述模块令整系统够高效运行整体系统框架图图31示系统程序流程图图32示
图31 控制系统总体设计
图32 程序流程图
32 单片机介绍
S9KEAZ128AMLK32位单片机储存器方面包括128KBFlash储存器16KBSRAM模数转换方面包括116通道12位模数转换器（ADC）电机驱动方面具19通道PWM模块模块组成该单片机功模块
单片机芯片够CPURAMROMIO等资源整合起需外部电路支持保证单片机充分发挥性需单片机系统单片机系统够通串口等进行通信包括载程序发送命令等搭建单片机系统进行单片机硬件系统调试文S9KEAZ128AMLK芯片系统需部分组成：
（1）电源电路根芯片手册介绍该单片机供电电压般33V文采72V电池供电需设计电源电路降72V电压降33V图33示令单片机稳定运行
图33 电源电路图
（2）复位电路考虑衡车系统较复杂程序会陷入某种异常状态需复位电路单片机重新启动复位电路包括复位键拉电阻单片机正常工作时VD0口通拉电阻电源正极连接单片机需复位时复位键时VD0接单片机复位电路图34示
图34 复位电路图
（3）时钟电路根芯片手册介绍然S9KEAZ128AMLK单片机3125390625kHz部振荡器作时钟稳定性较差需石英晶体震荡器作外部时钟电路保证稳定性
根述系统部分电路需求文综合考虑单片机容易损坏易更换等问题选山外系统核心板图35示该核心板包括述电路基满足两轮直立衡车系统需时该核心板引出72IO口作直插引脚通直插方式接入外部控制电路方便单片机损坏时进行快速更换
图35 系统板
33 电源理模块
两轮衡车系统中单片机工作电机驱动需电源文基价格耗等方面考虑选择镍铬电池图36示该电池提供72V电压2000mAh电池容量实际应中够满足模块供电需求
图36 镍镉电池
考虑模块电压需稳定性两轮衡车系统需电源理模块电池电压进行调节中电机驱动模块需72V电压单片机系统电磁感应模块需5V电压倾角测定模块蓝牙通讯模块需33V电压时文倾角测定模块通采集AD值计算加速度需电压保持稳定文采AMS1117作稳压芯片图37示
图37 AMS1117稳压芯片
文采固定输出电压33V5VAMS1117芯片倾角测定模块中传感器提供稳定33V工作电压单片机系统电磁感应模块提供稳定5V供电电压文稳压电路中采01μF10μF电容确保AM1117稳定性电路图38示
图38 电源理电路
34 电机驱动模块
电机选型两轮衡车重部分首先两轮衡车电机需实现转动稳定运行时衡车会搭载电路板电磁感应支架等重物需定荷载作够输出较转矩实现带负载运动文选取直流减速电机作衡车驱动电机图39示直流减速电机易控制调速范围广转矩等特点够实现衡车功
图39 直流减速电机
驱动电机方面文采脉宽调制控制方式电机进行控制衡车具两驱动电机需两组电机驱动桥电路文采4片IR2104S搭建成双H桥电路驱动电机
IR2104S高压高速功率型场效应绝缘栅双极型晶体带高低端参考输出通道驱动器件[8]具减速性稳定性高效率高等特点应电路图图310示
图310 电机驱动电路
35 速度检测模块
两轮直立衡车速度检测系统闭环控制中重环该闭环反馈量电机转速控制性良发挥取决转速测量精准性常测量电机转速方式测频法测周期法测频率周期法中测频法通单位时间光电码盘输出脉数目进行计算出电机转速适电机转速较高场合测周期法先测量光电码盘产生脉周期通脉周期计算出电机转速测周期频率法时测量时间时间光电脉发生器产生转速脉信号数目计算出电机转速[9]
两轮直立衡车需应种复杂道路需时兼顾低速高速测量精度文选256线正交解码编码器图311示
图311 光电编码器
36 倾角测定模块
21节直立控制原理22节速度控制原理知车模倾角控制车模衡行驶速度重部分车模需前行驶时单片机控制车模前倾倾角测定模块采集前倾斜角度通电机驱动维持前倾角实现车模稳定运行
常见倾角测定模块陀螺仪加速度计组成陀螺仪程中着时间增加会温度漂移现象时陀螺仪采集数进行计算准确角度法准确控制车模角度保持系统稳定需陀螺仪加速度计配合
市面常见陀螺仪ENC03系列ENC03系列分MAMBRC三种MAMB封装参数样RC封装较文ENC03MBENC03RC作静态测试AMS111733V供电环境温度19度测试长期加电输出漂移测试点运放输出10位AD采集原始数表31示
表31 ENC03MBENC03RC测试
型号
时间10s
时间1min
时间10min
时间1h
ENC03MB
0x1f4
0x1f2
0x1f1
0x1f2
ENC03RC
0x2a3
0x2ac
0x2b5
0x2b2
表出结RC效果MB文选择ENC03MB作陀螺仪加速度计选常见MMA7361
考虑便更换倾角测定模块焊接技术限制文采购款集成ENC03MB陀螺仪MMA7361加速度计模块图311示采直插连接杜邦线等方式接入控电路板
图312 倾角测定模块
37 电磁感应模块
道路中心线电磁线检测保证车模运行道路常基三极电磁信号放检波电路图313示该电路采三极检测电磁信号进行放级采倍压整流电路进行检波左右两感应线圈检测磁场强度
图313 基三极电磁信号放检波电路
然该电路简单实进步提高检波灵敏度增加级三极放电路组成分立元件放检波电路存工作点电压调整复杂电路放倍数赖三极电流放倍数基极导通阻抗等缺点文采基INA128运算放器放检波电路图314示
图314 INA128运放电路
INA128低功耗高精度通放器具部噪声低电压运行特点INA128激光矫正具非常低偏置电压温度漂移然电路进行外部补偿数情况需进行调整较理想选择
38 蓝牙通讯模块
车模调试程中需常读取倾角测定模块测倾角倾角加速度等信息需蓝牙通讯模块车模PC机连接实时读取信息文常见HC05机体蓝牙模块图315示
图315 蓝牙模块
该模块体PC机设机车模单片机设机配成功作全双工串口需解蓝牙协议
39章结
章首先控电路核心——单片机S9KEAZ128AMLK进行介绍根实际需求硬件模块芯片选型电路设计进行介绍中电源理模块电池提供72V电压降压5V33V系统中模块电压需求提供稳定电源支持电磁感应模块采集单片机判断衡车行进方需信号单片机信号进行判断进行方速度调整时需电机驱动模块速度检测模块倾角测定模块相互配合保证衡车着道路中心线稳定速度运行系统通蓝牙通讯模块运行时数发送位机进行分析
4系统安装调试
41 两轮直立衡车车体模型介绍
两轮直立衡车系统控制机械结构基础实现设计整衡车系统前需机械结构体框架然根模块工作原理针具体情况机械结构进行调整实际调试运行程中断进行改进优化提高结构稳定性
文选智车竞赛专模型该车模配套直流减速电机RS540车模外形图41示
图41 车模外形
该车模具材质轻易变形轮距宽等特点令车模易受身重量影响加装电路板电池支架等结构够保持稳定运行
42 编码器安装调试
36节速度检测模块介绍中知编码器控制系统中非常重环文采256线正交解码编码器安装驱动电机带动齿轮测量电机转速更固定编码器防发生滑齿等造成转测测量准等问题文亚克力板定制固定支架铜柱配合安装齿轮安装效果图42示
图42 编码器安装效果图
编码器通齿轮驱动电机连接需控制咬合力度果咬合力度会阻碍电机转速时会齿轮造成损伤果咬合力度容易造成滑齿等问题
43 电路电池安装
文Altium Designer 15 进行电路绘制时考虑系统需功较复杂文系统电路分控电路电磁感应电路避免电路板法安装详细电路原理图PCB图见附件2~7绘制电路版发工厂加工选购电子元器件焊接完成图4344示
图43 控电路实物图
图44 电磁感应电路实物图
电路板均根车体模型进行孔设计便通螺丝固定车模安装效果图45示
图45 电路安装效果图
时电池作整系统动力源具体积质量重特点保证车模稳定性需令车模重心降低电池需安装底盘位置文选购电池支架通绑带方式电池固定车模底部降低重心图46示
图46 电池安装效果图
44 前瞻电感安装
述电磁感应原理知衡车通电感识道路中心线偏离情况文采10mH工字形电感连接加长杜邦线电磁感应电路图47示
图47 工字型电感延长线
时令车模够提前感知道路状况做出相应转弯直行等动作需车模前方安装支架电感安装支架方碳纤具硬度高质量轻等特点文选取粗细碳纤作支架图48示保证稳定性时减少车模负重
图48 电磁感应支架
组装电磁感应支架绑带热熔胶工字型电感安装支架前方支架安装车模重心放低便更进行转弯终安装效果图49示
图49 终安装效果图
45 系统调试参数整定
两轮衡车系统模块安装完毕需系统进行调试确保够完成续功实现调试分两阶段分硬件调试运动调试硬件调试程中电池接入电路供电测量稳压电路否稳定输出目标电压启动单片机查否够进入工作状态确定单片机处工作状态编写测试软件系统PWM输出编码器采样传感器采样进行测试文参考量两轮衡车设计机械安装设计中考虑周全没出现较问题问题出现倾角测定模块调试程中
文倾角测定模块包括陀螺仪ENC03MB加速度计MMA7361更令倾角测定模块采集车模前倾斜状态模块竖直安装车模底部时模块测量Z轴实际Z轴保持直够更进行测量实际调试程中常常出现参数调整效果预期符等问题理值实际值误差模块安装位置环境影响实际测量值取值文虚拟示波器倾角测定模块安装位置程序参数进行调整
文通较Z轴计算角度趋势终融合角度趋势程序设定陀螺仪例值Gyro_ratio进行调整开始Z轴计算角度噪声干扰性强需陀螺仪计算融合角度融合角度曲线快速踪Z轴计算角度曲线时够排环境造成干扰解决前出现参数调整效果预期符等问题时超调衡车系统通蓝牙通讯模块数发送PC机通虚拟示波器显示图410示
图410 角度踪曲线图
时Gyro_ratio理值02蓝色线Z轴计算角度紫色线终融合角度图出时Gyro_ratio终融合角度曲线踪Z轴曲线参数逐渐增终融合角度曲线逐渐较踪Z轴曲线果参数调整会出现超调现象图411示
图411 角度踪超调图
时需参数适减时调整模块车模底部安装位置终终融合曲线快速踪Z轴曲线图412示
图412 角度良踪曲线图
完成参数整定配合控制算法系统进行实际道路调试文调试环境图413示道路采PVC材料道路中央设根通100mA20kHz交变电流漆包线车模通电磁感应模块识道路
图413 调试场图
车模硬件制作搭配控制算法进行实际调试车模保持直立衡稳定道路行驶行驶程中运行数发送位机进行分析达文设计求
46 章结
章介绍两轮直立衡车机械电路安装首先车模进行介绍基车模进行材料选购机械结构设计然基实际情况模块需硬件设备进行安装终组成完成两轮直立衡车系统硬件基础时文完成系统搭建系统进行模块调试调试程中出现问题倾角测定模块传感器参数整定问题进行深入研究终完成参数整定令车模终稳定道路运行
5结展
51 结
2018年国举办第十届恩智浦智汽车竞赛该竞赛广科生提供够研究应动控制技术台够学应中解动控制领域热门技术文基KEA128电磁感应衡车系统硬件电路设计便背景结合竞赛求实际情况完成两轮直立衡车设计制作
两轮直立衡车较传统四轮车更灵活应更广泛具重研究意义着科学技术断发展两轮直立衡车会更重视针研究会更加深入应会更加广泛文两轮直立衡车研究象通倒立摆力学模型进行研究进深入动控制技术研究硬件系统分析传感器选型机械结构搭建文做方面工作：
（1）介绍研究背景研究意义阐述文研究容前性实性
（2）完成两轮直立衡车系统总体设计包括系统原理概述硬件电路设计机械结构搭建
（2）控制原理中力学模型进行深入分析包括直立控制原理速度控制原理方控制原理道路识原理做出相应动控制方案硬件电路设计令硬件电路设计理支撑
（3）文针系统项需求设计硬件电路电路中元器件进行深入分析选取适合元器件型号系统更加稳定高效运行
（4）文北京科宇通博科技限公司生产智车模型基础零开始搭建衡车系统系统项机械设计进行深入分析车体模型更加轻便结构更加牢固终搭建出完整两轮直立衡车系统硬件部分
52 展
文完成基S9KEAZ128AMLK单片机两轮直立衡车系统研究应制作独立运行跑道衡车条件限制力足文足处加改进：
（1）硬件电路方面电路知识限仅实现系统项基功耗方面知甚少系统块满电量电池情况仅绕20米道路运行3五次未需电路进行优化增加系统续航力
（2）机械结构方面车模高速运行情况会出现轻微抖动现象车模整体性定影响未需重心分布更深入分析重心分布更加均匀消抖动车模造成影响
（3）系统应突发状况时未进行深入分析车模受外力倒情况目前通力方式车模重新立起未设计衡车性方面需加研究力度
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附 录
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附件2：控电路原理图
附件3：控电路PCB图
附件4：控电路实物图
附件5：电磁感应电路原理图
附件6：电磁感应电路PCB图
附件7：电磁感应电路实物图
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基KEA128电磁感应衡车硬件电路设计
基KEA128电磁感应衡车系统硬件电路设计
摘
两轮衡车具车体模型体积快速转种环境工作等特点项研究成果已交通运输工业动化生活娱乐等方面投入计算机技术电子技术高速发展情况动驾驶智车够独立前环境进行感知快速做出反应进行加减速转等操作已成前动控制领域研究热点
教育部举办恩智浦（原飞思卡尔）智车赛项针动控制领域前研究热点竞赛广科生提供够研究应动控制技术台文第十届恩智浦智车赛背景运S9KEAZ128AMLK单片机设计种通电磁感应识道路两轮衡车系统
文首先建立力学模型衡车控制原理进行分析通系统需求分析单片机型号进行选型整体务进行分解模块化方式项功进行实现完成系统衡控制速度控制方控制道路识等务
机械结构进行搭建模块合理安装车模完成系统硬件电路设计功实现
关键词：两轮衡车S9KEAZ128AMLK单片机力学模型硬件电路设计
Hardware Circuit Design of Electromagnetic Induction Balance Car System Based on KEA128
Abstract
The twowheeled selfbalancing car has the characteristics of small size fast steering and can work in various environments Many of its research results have been put into use in transportation automated production and entertainment With the rapid development of computer technology and electronic technology selfdriving smart cars can independently sense the current environment and quickly respond to acceleration deceleration steering and other operations which has become a research hotspot in the field of automatic control
The NXP (formerly Freescale) Smart Car Competition held by the Ministry of Education is a competition that focuses on current research hotspots in the field of automatic control It provides a platform for undergraduates to study and apply automatic control technology Based on the eleventh NXP Smart Car Competition this paper uses the S9KEAZ128AMLK microcontroller to design a twowheeled selfbalancing car system that recognizes roads through electromagnetic induction
In this paper the force analysis model is first established to analyze the control principle of the balance car Through the analysis of the demand of the system the model of the singlechip microcontroller is selected Furthermore the overall task is decomposed and various functions are implemented in a modular manner to complete each task finally
Finally the mechanical structure is built and the modules are reasonably installed on the car model and the hardware circuit design and function implementation of the system are completed
Keywords twowheeled selfbalancing vehicle S9KEAZ128AMLK microcontroller mechanical model
目 录
1绪 1
11引言 1
12国外研究现状 1
13 文研究容 3
14 章结 4
2系统原理介绍模型分析 4
21 直立控制原理 4
22 速度控制原理 7
23 道路识原理 7
24 方控制原理 8
25 章结 8
3硬件电路设计 8
31 总体设计 8
32 单片机介绍 10
33 电源理模块 11
34 电机驱动模块 13
35 速度检测模块 14
36 倾角测定模块 15
37 电磁感应模块 16
38 蓝牙通讯模块 17
39章结 17
4系统安装调试 18
41 两轮直立衡车车体模型介绍 18
42 编码器安装调试 18
43 电路电池安装 19
44 前瞻电感安装 20
45 系统调试参数整定 22
46 章结 24
5结展 24
51 结 24
52 展 25
参考文献 26
致 谢 27
附 录 28
1绪
11引言
着电子技术工智5G技术断发展成熟机器作集成技术代表越越受国重视般研究中机器般分移动移动两类移动机器移动性高场合成领域研究热点移动机器般通安装车轮履带结合仿生学安装机械腿等方式进行移动中安装车轮轮式机器着生产成低容易控制等优点实际应应更广泛
众类型轮式机器中两轮衡车具车体模型体积结构简单机动性高等特点应狭空间类危险复杂环境中进行探测工作巨发展空间应前景两轮衡车两车轮高度稳定系统需电机驱动两车轮通运动保持衡然结构简单系统特征十分复杂通两轮衡车种基倒立摆系统模型研究类推出种类机器控制方式应相关类型领域两轮衡车种良动控制系统实验台够控制算法控制理进行研究检验[1]
文研究两轮衡车交通运输工业动化生活娱乐中着广泛应交通运输方面体积巧转弯灵活价格适中两轮电动代步车满足众短距离代步需求成新代代步工具[2]工业动化方面体现物流运输应[3]生活娱乐方面消费者喜爱玩具[4]两轮衡车研究学仅够培养综合力实践力社会生活等方面具重研究意义
12国外研究现状
世纪末开始国外针两轮衡车初步研究1980年日山藤高桥教授[5]文中阐述关两轮衡车理解毫前验情况应限技术制作台两轮衡车该衡车仅做前运动法针道路情况进行转弯等操作
2001年美国Segway公司生产Segway两轮衡车推市场令衡车进入公众视野[6]图11示Segway衡车承受成年重量置姿态传感器令驾驶者通身体重心改变控制双轮车前进退转弯加速减速等动作
图11 驾驶Segway图
2002年瑞士Felix Grasser团队制作基陀螺仪感知身倾斜状态衡车Joe图12示该衡车陀螺仪倾斜角度变化时会产生电压控芯片通读取陀螺仪电压值前倾斜角度进行计算做出相应调整控制车轮运动保持衡
图12 Joe衡车
针轮式机器研究程中开发者考虑轮式机器结合运动方式进行改进2017年美国Boston Dynamics公司参考形机器特点两轮衡车结合制作全新形态衡机器Handle图13示Handle拥两轮衡车转灵活特点具形机器特殊环境工作力
图13 Handle机器
目前国开展针两轮衡机器研究时相关企业逐渐开展两轮衡车业务两轮衡车商业化走进生活中
2003年院校合作研究制作国第两轮衡机器[7]2009年西安电子科技学针SPCE061A单片机进行研究该单片机控芯片制作种新型两轮衡机器该机器安装感知前倾斜角度传感器机器倾倒趋势时候控芯片读取传感器数通电机驱动车轮保持衡情况运动2012年纳恩博电动衡车公司致力衡车商化衡车作代步工具进行出售衡车逐渐进入公众视野2015年米科技收购电动衡车鼻祖Segway推出重量仅128kg行驶速度达168kmh米九号衡车
述研究成果市场概况值鉴方提供未研究方研究成果概括建立合适衡模型基础通类传感器陀螺仪加速度计倾角传感器等高速控制芯片合作采高效控制算法进行实时处理根实际情况做出相应调整保持衡
13 文研究容
文参考量国外相关领域文献资料两轮衡车系统研究台重点研究系统力学模型结合硬件电路设计通实现两轮衡车研究制作更完成两轮衡车直立行走动识道路务文采取模块化设计理念务分模块进行研究实现具体容：
（1）根两轮衡车结构特点直立特性建立研究衡状态力学模型通力学模型理分析出直立衡条件根条件提出动控制方案
（2）两轮衡车选取适合核心控制芯片达高速处理类信息目时研究型号陀螺仪加速度计工字电感等传感器系统提供实时衡车倾角角速度方等具体数实时调整身姿态方
（3）研究控电路设计搭建电源理电路电机驱动电路电磁感应分析电路等配合类传感器电子元器件完成整电路框架搭建
（4）系统模型更加稳定需研究机械结构电机编码器电磁感应支架等安装合适位置降低重心车辆运行时更加稳
（5）配合控制算法搭建完整运行两轮衡车系统铺交流电线路循迹稳定行驶
14 章结
章首先阐述两轮衡车研究背景提出两轮衡车重研究意义综合国外两轮衡车研究状况进行讨体现文研究方正确性文研究容进行概括性阐述
2系统原理介绍模型分析
21 直立控制原理
两轮直立衡车直立控制通负反馈机制实现谓负反馈机制通安装车模倾角传感器采集倾斜角度倾斜趋势（加速度）通控制电机控制轮子转动抵消倾斜趋势便令车身保持衡图21示
图21 运动衡示意图
更说明两轮衡车模型控制方式文建立两轮衡车力学模型理说明衡车控制方式首先衡车衡方式进行观察简化模型类似底部运动倒立摆模型直接研究倒立摆模型便理解文单摆模型进行类研究图22示
图22 单摆模型车模简化倒立摆模型
首先建立单摆模型假设重物放固定点通根线连接进行受力分析图23示
图23 单摆模型受力分析
该重物衡状态会保持中垂线位置重物离开中垂线位置脱离衡状态会受重力线拉力合力
（式21）
合力作重物会空气中做复运动终会空气阻尼力恢复初始中垂线衡位置程持续时间会着偏移角增增时会着空气阻尼力增减出结重物稳定衡点受偏移角方相反合力受运动方相反空气阻尼力
倒立摆模型进行受力分析图24示
图24 倒立摆模型受力分析
倒立摆偏离中垂线位置时单摆样然回中垂线倒立摆偏离中垂线会受合力运动方相会令倒立摆回中垂线位置终令倒立摆倒倒立摆够单摆模型样重新回中垂线位置需倒立摆额外力该力需运动方相反帮助倒立摆回中垂线位置
倒立摆驱动电机控制车轮提供需全部动力令倒立摆受额外力需令车轮作加速运动时整倒立摆受合力：
（式22）
式中进行线性化处理假设负反馈控制车轮加速度偏角成正例设重力加速度果合力方倒立摆运动方相反时倒立摆力恢复衡位置文两轮直立衡出需应种环境需快速做出响应需令倒立摆恢复衡速度更快需增阻尼力文述阻尼力指空气中存空气摩擦力空气摩擦力现实中种忽略计力需外增加控制阻尼力时式22变
（式23）
式中倾角角速度两项保持衡需加速度式24示
（式24）
式中例系数两项相加作车轮加速度控制量满足条件车模便单摆样稳定直立状态适增加车模恢复衡速度更快
述分析知令车模保持稳定衡条件获车模倾角角速度精确数控制车模底部车轮加速度
22 速度控制原理
相四轮速度控制两轮直立衡车速度控制更复杂车轮通加速保证车模衡时需运动程中控制车模行驶速度驱动电机控制需更策略
文直立控制原理中知车模没外力情况会侧倾倒重力存会加速倾倒辆没动力衡车开始前倾情况会前运动直车模倒时车模安装采集倾角传感器便起重作传感器感知车模前倾趋势时车模保持定前倾角度车模会定速度前行驶倒退理控制速度通控制车模倾角实现
控制车模倾角维持需角度需车模动力进行研究驱动车轮转动电机车模唯动力源然电机返回具体速度参数通电机安装光电编码器方式通脉信号计算电机转速
23 道路识原理
文系统调试环境总长约20米PVC材质跑道道路元素包括直道弯道十字路口环岛路段等道路中央铺设根通交变电流漆包线根麦克斯韦电磁场理交变电流会周围产生突变电磁场电磁场中放置电感线圈电磁感应会线圈产生交变电流毕奥萨伐定理知单电感感应电动势
（式25）
式中例系数电感高度电感距离中心线水距离
两轮直立衡车道路识通车模前端安装电磁感应线圈实现文车模前端水安装电感车模偏离道路中心时检测感应电动势会减计算出车模道路中心线偏离距离时做出响应调整图25说明种情况
图25 电感线圈偏移影响感应电动势
24 方控制原理
道路识原理知两轮直立衡车通电磁感应识前道路直道者弯道遇弯道时车模便需通方控制弯道行驶避免驶出道路
车模转需两车轮前转速差该转速差通安装驱动电机编码器获通测电机转速计算出两车轮转速差时车模前进行方道路识模块提供响应电磁感应电压车模通电磁感应电压控制电机调整前两车轮转速差实现车模转某特殊路段十字路口环岛路口会出现两根通交流电漆包线交叉重叠情况时需程序中做特殊处理十字路口垂直横跨前道路漆包线时左转右转判定十字路口前直行
实际系统中车模会安装诸电池支架电路板等较重物体道路运行程中会身重量较惯性高速行驶转弯程中容易较惯性出道路防止种现象发生首先需降低车模重心时需检测车模转动速度需转弯时降低车模速度保持车模稳定
25 章结
章应模块化设计理念复杂两轮直立衡车直立行走务分解成较易实现模块进行研究模块原理进行分析时模块实现制定致方案续硬件设计良基础
3硬件电路设计
31 总体设计
硬件电路设计两轮直立衡控制系统部分稳定高效硬件电路实现控制策略控制算法基础文采恩智浦NXP公司生产Kinetis KEA128系列S9KEAZ128AMLK单片机基该单片机系统电路模块进行逐步设计终设计出完整硬件电路
两轮衡车硬件部分单片机系统电源理模块电机驱动模块速度检测模块倾角测定模块电磁感应模块蓝牙通讯模块硬件设备组成控制系统通单片机控制述模块令整系统够高效运行整体系统框架图图31示系统程序流程图图32示
图31 控制系统总体设计
图32 程序流程图
32 单片机介绍
S9KEAZ128AMLK32位单片机储存器方面包括128KBFlash储存器16KBSRAM模数转换方面包括116通道12位模数转换器（ADC）电机驱动方面具19通道PWM模块模块组成该单片机功模块
单片机芯片够CPURAMROMIO等资源整合起需外部电路支持保证单片机充分发挥性需单片机系统单片机系统够通串口等进行通信包括载程序发送命令等搭建单片机系统进行单片机硬件系统调试文S9KEAZ128AMLK芯片系统需部分组成：
（1）电源电路根芯片手册介绍该单片机供电电压般33V文采72V电池供电需设计电源电路降72V电压降33V图33示令单片机稳定运行
图33 电源电路图
（2）复位电路考虑衡车系统较复杂程序会陷入某种异常状态需复位电路单片机重新启动复位电路包括复位键拉电阻单片机正常工作时VD0口通拉电阻电源正极连接单片机需复位时复位键时VD0接单片机复位电路图34示
图34 复位电路图
（3）时钟电路根芯片手册介绍然S9KEAZ128AMLK单片机3125390625kHz部振荡器作时钟稳定性较差需石英晶体震荡器作外部时钟电路保证稳定性
根述系统部分电路需求文综合考虑单片机容易损坏易更换等问题选山外系统核心板图35示该核心板包括述电路基满足两轮直立衡车系统需时该核心板引出72IO口作直插引脚通直插方式接入外部控制电路方便单片机损坏时进行快速更换
图35 系统板
33 电源理模块
两轮衡车系统中单片机工作电机驱动需电源文基价格耗等方面考虑选择镍铬电池图36示该电池提供72V电压2000mAh电池容量实际应中够满足模块供电需求
图36 镍镉电池
考虑模块电压需稳定性两轮衡车系统需电源理模块电池电压进行调节中电机驱动模块需72V电压单片机系统电磁感应模块需5V电压倾角测定模块蓝牙通讯模块需33V电压时文倾角测定模块通采集AD值计算加速度需电压保持稳定文采AMS1117作稳压芯片图37示
图37 AMS1117稳压芯片
文采固定输出电压33V5VAMS1117芯片倾角测定模块中传感器提供稳定33V工作电压单片机系统电磁感应模块提供稳定5V供电电压文稳压电路中采01μF10μF电容确保AM1117稳定性电路图38示
图38 电源理电路
34 电机驱动模块
电机选型两轮衡车重部分首先两轮衡车电机需实现转动稳定运行时衡车会搭载电路板电磁感应支架等重物需定荷载作够输出较转矩实现带负载运动文选取直流减速电机作衡车驱动电机图39示直流减速电机易控制调速范围广转矩等特点够实现衡车功
图39 直流减速电机
驱动电机方面文采脉宽调制控制方式电机进行控制衡车具两驱动电机需两组电机驱动桥电路文采4片IR2104S搭建成双H桥电路驱动电机
IR2104S高压高速功率型场效应绝缘栅双极型晶体带高低端参考输出通道驱动器件[8]具减速性稳定性高效率高等特点应电路图图310示
图310 电机驱动电路
35 速度检测模块
两轮直立衡车速度检测系统闭环控制中重环该闭环反馈量电机转速控制性良发挥取决转速测量精准性常测量电机转速方式测频法测周期法测频率周期法中测频法通单位时间光电码盘输出脉数目进行计算出电机转速适电机转速较高场合测周期法先测量光电码盘产生脉周期通脉周期计算出电机转速测周期频率法时测量时间时间光电脉发生器产生转速脉信号数目计算出电机转速[9]
两轮直立衡车需应种复杂道路需时兼顾低速高速测量精度文选256线正交解码编码器图311示
图311 光电编码器
36 倾角测定模块
21节直立控制原理22节速度控制原理知车模倾角控制车模衡行驶速度重部分车模需前行驶时单片机控制车模前倾倾角测定模块采集前倾斜角度通电机驱动维持前倾角实现车模稳定运行
常见倾角测定模块陀螺仪加速度计组成陀螺仪程中着时间增加会温度漂移现象时陀螺仪采集数进行计算准确角度法准确控制车模角度保持系统稳定需陀螺仪加速度计配合
市面常见陀螺仪ENC03系列ENC03系列分MAMBRC三种MAMB封装参数样RC封装较文ENC03MBENC03RC作静态测试AMS111733V供电环境温度19度测试长期加电输出漂移测试点运放输出10位AD采集原始数表31示
表31 ENC03MBENC03RC测试
型号
时间10s
时间1min
时间10min
时间1h
ENC03MB
0x1f4
0x1f2
0x1f1
0x1f2
ENC03RC
0x2a3
0x2ac
0x2b5
0x2b2
表出结RC效果MB文选择ENC03MB作陀螺仪加速度计选常见MMA7361
考虑便更换倾角测定模块焊接技术限制文采购款集成ENC03MB陀螺仪MMA7361加速度计模块图311示采直插连接杜邦线等方式接入控电路板
图312 倾角测定模块
37 电磁感应模块
道路中心线电磁线检测保证车模运行道路常基三极电磁信号放检波电路图313示该电路采三极检测电磁信号进行放级采倍压整流电路进行检波左右两感应线圈检测磁场强度
图313 基三极电磁信号放检波电路
然该电路简单实进步提高检波灵敏度增加级三极放电路组成分立元件放检波电路存工作点电压调整复杂电路放倍数赖三极电流放倍数基极导通阻抗等缺点文采基INA128运算放器放检波电路图314示
图314 INA128运放电路
INA128低功耗高精度通放器具部噪声低电压运行特点INA128激光矫正具非常低偏置电压温度漂移然电路进行外部补偿数情况需进行调整较理想选择
38 蓝牙通讯模块
车模调试程中需常读取倾角测定模块测倾角倾角加速度等信息需蓝牙通讯模块车模PC机连接实时读取信息文常见HC05机体蓝牙模块图315示
图315 蓝牙模块
该模块体PC机设机车模单片机设机配成功作全双工串口需解蓝牙协议
39章结
章首先控电路核心——单片机S9KEAZ128AMLK进行介绍根实际需求硬件模块芯片选型电路设计进行介绍中电源理模块电池提供72V电压降压5V33V系统中模块电压需求提供稳定电源支持电磁感应模块采集单片机判断衡车行进方需信号单片机信号进行判断进行方速度调整时需电机驱动模块速度检测模块倾角测定模块相互配合保证衡车着道路中心线稳定速度运行系统通蓝牙通讯模块运行时数发送位机进行分析
4系统安装调试
41 两轮直立衡车车体模型介绍
两轮直立衡车系统控制机械结构基础实现设计整衡车系统前需机械结构体框架然根模块工作原理针具体情况机械结构进行调整实际调试运行程中断进行改进优化提高结构稳定性
文选智车竞赛专模型该车模配套直流减速电机RS540车模外形图41示
图41 车模外形
该车模具材质轻易变形轮距宽等特点令车模易受身重量影响加装电路板电池支架等结构够保持稳定运行
42 编码器安装调试
36节速度检测模块介绍中知编码器控制系统中非常重环文采256线正交解码编码器安装驱动电机带动齿轮测量电机转速更固定编码器防发生滑齿等造成转测测量准等问题文亚克力板定制固定支架铜柱配合安装齿轮安装效果图42示
图42 编码器安装效果图
编码器通齿轮驱动电机连接需控制咬合力度果咬合力度会阻碍电机转速时会齿轮造成损伤果咬合力度容易造成滑齿等问题
43 电路电池安装
文Altium Designer 15 进行电路绘制时考虑系统需功较复杂文系统电路分控电路电磁感应电路避免电路板法安装详细电路原理图PCB图见附件2~7绘制电路版发工厂加工选购电子元器件焊接完成图4344示
图43 控电路实物图
图44 电磁感应电路实物图
电路板均根车体模型进行孔设计便通螺丝固定车模安装效果图45示
图45 电路安装效果图
时电池作整系统动力源具体积质量重特点保证车模稳定性需令车模重心降低电池需安装底盘位置文选购电池支架通绑带方式电池固定车模底部降低重心图46示
图46 电池安装效果图
44 前瞻电感安装
述电磁感应原理知衡车通电感识道路中心线偏离情况文采10mH工字形电感连接加长杜邦线电磁感应电路图47示
图47 工字型电感延长线
时令车模够提前感知道路状况做出相应转弯直行等动作需车模前方安装支架电感安装支架方碳纤具硬度高质量轻等特点文选取粗细碳纤作支架图48示保证稳定性时减少车模负重
图48 电磁感应支架
组装电磁感应支架绑带热熔胶工字型电感安装支架前方支架安装车模重心放低便更进行转弯终安装效果图49示
图49 终安装效果图
45 系统调试参数整定
两轮衡车系统模块安装完毕需系统进行调试确保够完成续功实现调试分两阶段分硬件调试运动调试硬件调试程中电池接入电路供电测量稳压电路否稳定输出目标电压启动单片机查否够进入工作状态确定单片机处工作状态编写测试软件系统PWM输出编码器采样传感器采样进行测试文参考量两轮衡车设计机械安装设计中考虑周全没出现较问题问题出现倾角测定模块调试程中
文倾角测定模块包括陀螺仪ENC03MB加速度计MMA7361更令倾角测定模块采集车模前倾斜状态模块竖直安装车模底部时模块测量Z轴实际Z轴保持直够更进行测量实际调试程中常常出现参数调整效果预期符等问题理值实际值误差模块安装位置环境影响实际测量值取值文虚拟示波器倾角测定模块安装位置程序参数进行调整
文通较Z轴计算角度趋势终融合角度趋势程序设定陀螺仪例值Gyro_ratio进行调整开始Z轴计算角度噪声干扰性强需陀螺仪计算融合角度融合角度曲线快速踪Z轴计算角度曲线时够排环境造成干扰解决前出现参数调整效果预期符等问题时超调衡车系统通蓝牙通讯模块数发送PC机通虚拟示波器显示图410示
图410 角度踪曲线图
时Gyro_ratio理值02蓝色线Z轴计算角度紫色线终融合角度图出时Gyro_ratio终融合角度曲线踪Z轴曲线参数逐渐增终融合角度曲线逐渐较踪Z轴曲线果参数调整会出现超调现象图411示
图411 角度踪超调图
时需参数适减时调整模块车模底部安装位置终终融合曲线快速踪Z轴曲线图412示
图412 角度良踪曲线图
完成参数整定配合控制算法系统进行实际道路调试文调试环境图413示道路采PVC材料道路中央设根通100mA20kHz交变电流漆包线车模通电磁感应模块识道路
图413 调试场图
车模硬件制作搭配控制算法进行实际调试车模保持直立衡稳定道路行驶行驶程中运行数发送位机进行分析达文设计求
46 章结
章介绍两轮直立衡车机械电路安装首先车模进行介绍基车模进行材料选购机械结构设计然基实际情况模块需硬件设备进行安装终组成完成两轮直立衡车系统硬件基础时文完成系统搭建系统进行模块调试调试程中出现问题倾角测定模块传感器参数整定问题进行深入研究终完成参数整定令车模终稳定道路运行
5结展
51 结
2018年国举办第十届恩智浦智汽车竞赛该竞赛广科生提供够研究应动控制技术台够学应中解动控制领域热门技术文基KEA128电磁感应衡车系统硬件电路设计便背景结合竞赛求实际情况完成两轮直立衡车设计制作
两轮直立衡车较传统四轮车更灵活应更广泛具重研究意义着科学技术断发展两轮直立衡车会更重视针研究会更加深入应会更加广泛文两轮直立衡车研究象通倒立摆力学模型进行研究进深入动控制技术研究硬件系统分析传感器选型机械结构搭建文做方面工作：
（1）介绍研究背景研究意义阐述文研究容前性实性
（2）完成两轮直立衡车系统总体设计包括系统原理概述硬件电路设计机械结构搭建
（2）控制原理中力学模型进行深入分析包括直立控制原理速度控制原理方控制原理道路识原理做出相应动控制方案硬件电路设计令硬件电路设计理支撑
（3）文针系统项需求设计硬件电路电路中元器件进行深入分析选取适合元器件型号系统更加稳定高效运行
（4）文北京科宇通博科技限公司生产智车模型基础零开始搭建衡车系统系统项机械设计进行深入分析车体模型更加轻便结构更加牢固终搭建出完整两轮直立衡车系统硬件部分
52 展
文完成基S9KEAZ128AMLK单片机两轮直立衡车系统研究应制作独立运行跑道衡车条件限制力足文足处加改进：
（1）硬件电路方面电路知识限仅实现系统项基功耗方面知甚少系统块满电量电池情况仅绕20米道路运行3五次未需电路进行优化增加系统续航力
（2）机械结构方面车模高速运行情况会出现轻微抖动现象车模整体性定影响未需重心分布更深入分析重心分布更加均匀消抖动车模造成影响
（3）系统应突发状况时未进行深入分析车模受外力倒情况目前通力方式车模重新立起未设计衡车性方面需加研究力度
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[14]靳培峰 智双轮衡车设计[D]安徽理工学2017
[15]唐明会高进王琪基电磁导航高速轮式机器控制系统设计实现[J]动化技术应201938(05)4547+86
[16]高贝贝吴永志崔金龙郭宝军高承彬雪基双电机电磁循迹智车系统控制策略设计[J]科技创新2018(15)119121
[17]陈泓宇程磊刘钦彭锐李婵基电磁导航智车信号检测技术研究[J]电脑信息技术201826(03)2528
[18]张志松陈万米李博叶立俊基电磁导航两轮模型车设计[J]工业控制计算机201730(10)141142
附 录
附件1：攻读科学位期间发表文专利
[1]冯劲黄海润种线超声波变送器[P]中国专利ZL201720771508020171226
[2]Yuan YaoJin FengClustering Analysis of Fusion Similarity Calculation and Improved Genetic Algorithm[C]Electrical Engineering and Computer Science (EECS)United States20193238
[3]冯劲姚远融合相似度计算改进遗传算法聚类分析[J]计算机仿真2020
[4]吴天亮薛竣文冯劲邓凯文温子颖苏秉华基LabVIEW激光动报靶系统设计[J]光学光电技术201917(03)3439
附件2：控电路原理图
附件3：控电路PCB图
附件4：控电路实物图
附件5：电磁感应电路原理图
附件6：电磁感应电路PCB图
附件7：电磁感应电路实物图
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