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  • 重力体感四轮电动滑板车「第二届立创商城电子制作节30强作品」
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本作品为第二届立创商城电子制作节30强入围作品,作者立创社区ID:Mr154194R;转载请注明出处,未经允许不得用作商业用途。作品原链接:http://club.szlcsc.com/article/details_6237_1.html

一、作品简介

作品外观及设计背景

安全智能的代步工具,研究发现市面上的电动滑板工具大多都是两轮平衡车,电动滑板车,独轮车,等等。两轮平衡车体积较大,用户携带也不方便,而且售价很高。电动滑板车,体积稍大,重量较重,虽然有折叠的滑板车,但是折叠的机械结构不稳定,容易出现机械故障;独轮车,体积可以,但是学习比较困难。如何能够解决走路嫌远,开车麻烦的困扰。

目前现有的电动滑板都是采用无线蓝牙进行遥控操作,用户手里拿着一个遥控器,进行前进和停车的操作。这种方法需要额外携带遥控器,同时遥控器容易受到外界环境的干扰,一旦遥控器产生故障滑板不受控制,那么将会对使用者带来不可预料的危险。

由此产生思考能否设计一款能够判断用户需求的电动滑板,同时完全保障用户的安全。即一个具有思维能力的电动滑板。通过感应使用者的重量转移进行操纵的电动滑板,或者称为智能体感控制电动滑板。它是这样工作:通过一只脚踩动滑板的前面,系统就能判断你再滑板上的重量分布而进行速度的操控。向前踩和前倾表示加速,向后踩和向后倾斜表示刹车。这意味着滑板的控制完全由用户身体来控制,同时也符合人的动作需求。

滑板是一种青少年十分喜爱的运动,我们的作品结合青少年的兴趣,又将先进的科技技术融合到滑板之中。使得滑板的使用变得更加方便、简单、安全,使青少年在使用滑板的过程中逐渐了解体感压力控制和平衡控制的神器。

由于增加了智能压力体感控制和平衡控制的方法,使得滑板的学习变得十分简单,甚至可以说1分钟即可上手。所以说,我们的作品也是一款十分方便代步工具,目前市面上流行的代步工具相比,我们的滑板重量较轻(目前重量稍重,后期再优化可以做到重量在7~9kg),携带十分方便。在一些开车嫌近,走路嫌远的场合,比如上下班代步,取快递,超市购物等。

二、系统构架图

先放一个整体的构思。

分为以下几个部分:压力采集部分,主控板,电池,滑板面板,前后桥架,驱动轮,外壳。

三、硬件部分的描述

PCB加工之后的实物图

1.压力数据采集

体感控制滑板,关键是对体感数据的采集获取。体感控制并非像市面上的平衡车的体感控制,市面上的平衡车的体感控制多数采用MPU6050,这种MEMS的陀螺仪传感器获得姿态角度,进而通过控制电机实现平衡控制。这里我们提到的体感控制,很明显是采集重力数据,具体的说是采集人在滑板上的重心位置。再进一步说,就是采集压力数据的分布。接下来对于滑板这个产品,难道要像3D压感手机那样吗?并不是。

很明显,可以有两种思路,一种思路是把传感器安装在前后桥架的两个固定点。另一种思路是把传感器安装在滑板的面板上。具体那种更好,有待于测试。调研市场上,目前唯一一款支持压感控制的滑板为zboard2,此滑板采用的是传感器安装在滑板的面板上。

此图中的黑色垫脚就是压力传感器的位置。踩这里就前进,反方向的传感器板为刹车减速功能。

这里,我们选择另一种安装在桥架与木板之间的方案。传感器选择电子秤中量产的体重传感器。如下图

此传感器为半桥电路,两个可以用作一个全桥采样电路。2个半桥式50KG称重传感器组成全桥接法将E+、E-、S+、S-四个端子分别接在一起,模拟信号本身就会组成一个全桥传感器。 但需要注意,这两个传感器的灵敏度一致性是否良好。 如果传感器灵敏度的一致性良好,可以组成一个全桥传感器。 就像组秤一样。 可以采用差分放大,再用AD转换芯片过采样转换,获得数字信号。

为了节省时间,选择了电子秤的放大电路hx711,这个芯片不算贵。以后有时间,计划用运放搭一个放大电路。下图为hx711的采集电路。采用数字通信方式与单片机通信。

这个芯片很用起来很方便,例程很多。数字通信的方式,可以免去了模拟信号的传输的干扰,毕竟长板长度约1m/2=0.5m,这个距离如果用模拟通信,可能干扰比较大。

注意:上面的电路,前后桥架各安装一套。这样可以采集两个通道的压力数据,进而计算出重心的位置。以上传感器的部分就做完了。

2.双BLDC电机控制电路设计

这个算是第二关键部分,选择了带霍尔的轮毂式无刷电机。双驱方案。电机的控制有两种方案,一种是依靠现有的BLDC驱动芯片,完成单个BLDC的控制,

另外一种是自己写BLDC的控制代码。在这里选择后者。我们还是自己写BLDC的代码吧。毕竟还是自己还是有点基础的,六步换向的方法并不难。一个stm32f103rct6可以

实现两台bldc的控制。

(1)霍尔接口电路设计

(2)MOS管驱动设计

点击查看大图

(3)三电阻采样放大电路

 

点击查看大图

两个电机的电路一样,这里就不再重复贴图介绍了。

(3)主控板主芯片电路

 

点击查看大图

主芯片的外围电路相对简单,这里给出了主芯片的引脚分配图。

(4)供电系统

供电电池为36V,经过DCDC得到15V,线性稳压(78M05)得到5V,再次线性稳压(LM1117-3.3V)得到3.3V。供电系统属于比较常见的方案了。

四、材料清单(BOM列表)

主要器件:stm32f103rct6 、stm32f103c8t6、hx711、ir2010s、ir2181s、acs712等等

主芯片STM32F103RCT6链接:http://www.szlcsc.com/product/details_8815.html

模数转换/HX711链接:http://www.szlcsc.com/product/details_44649.html

五、软件部分的描述

源代码详见原帖。

六、作品演示

体感滑板测试视频:

试玩视频:

 

七、总结

立创这个平台也是十分方便,BOM报价,采购,PCB制板,钢网,SMT一条龙服务,而且质量可靠,价格公道。

对于小批量样品制作的用户也是非常划算。自己一直也在嘉立创打样板。对于体感电动滑板这个产品,个人感觉可能今年会有较大的市场。

八、后期改进

下图为两轮平衡车的主板,采用stm32f103rct6主芯片控制两台BLDC电机。预留的接口刚好可以用于连接压力数据。借用这个成熟的电路可以快速制作出自己的滑板控制器。

目前已经完成了对板子的电路分析。板子的程序已经抹掉,正在参考st的foc库编写自己的bldc正弦波控制代码。。如果这个工作完成了(这应该叫做逆向工程了吧),就可以非常便宜的做出一台体感滑板车了。。

在平衡车板子上,自己写的双BLDC电机控制,双FOC,静音!!完美!!


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  • 时间:2017-11-10 12:05
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