基于ATMEGA16自平衡小車開題報告

1、 中 北 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計開題報告學(xué) 生 姓 名：學(xué) 號：學(xué) 院：信息與通信工程學(xué)院專 業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)設(shè)計題目： 基于ATMEGA16A芯片的自平衡車設(shè)計指導(dǎo)教師:2016年 04月 06日畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告1選題依據(jù)：1.1研究目的及意義： 車輛作為一種新型的交通工具，應(yīng)用范圍已經(jīng)越來越廣泛，幾乎滲透到各個領(lǐng)域，是一項多學(xué)科理論與技術(shù)集成的機(jī)電一體化技術(shù)。車輛在方便人的出行和貨物的運輸?shù)确矫娑硷@示出極大的優(yōu)越性。輪式車輛由于具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、能量利用率高等特點，已經(jīng)成為車輛研究的重要方向之一1。輪式車輛在工作過程中可能會遇到工作區(qū)域狹窄、路面不平、工作環(huán)境復(fù)雜多變、需要

2、經(jīng)常轉(zhuǎn)向的工作場合，如何在這樣的環(huán)境里靈活快捷的完成任務(wù)，使輪式車輛不但能夠適應(yīng)特定的環(huán)境及任務(wù)需求，而且在動態(tài)變化的復(fù)雜未知環(huán)境中能夠體現(xiàn)出高度的靈活適應(yīng)性，成為一個值得重點研究的課題。在這種應(yīng)用背景下兩輪自平衡車應(yīng)運而生。兩輪自平衡小車是一個集動態(tài)決策和規(guī)劃、環(huán)境感知、行為控制和執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)，具有較高的學(xué)術(shù)研究意義2。小車具有兩輪共軸、獨立驅(qū)動、重心位于車輪上方和通過運動保持平衡的特點。通過運用加速度傳感器、角速度傳感器、陀螺儀等，可以實現(xiàn)小車平衡自立3。和傳統(tǒng)的輪式移動機(jī)器人相比較，兩輪自平衡小車有著以下優(yōu)點：（1）具有占地面積小的優(yōu)點，能夠在場地面積很小或者要求靈活運

3、輸?shù)膱龊仙鲜褂?；?）車的結(jié)構(gòu)上有很大的簡化，可以把車做的更輕更??；（3）能夠?qū)崿F(xiàn)在原地回轉(zhuǎn)和任意半徑的轉(zhuǎn)向，有更加靈活易變的移動軌跡很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)多輪布局的缺點；（4）重心的高度對小車運動和硬件設(shè)計的限制?。唬?）有著較小的驅(qū)動功率，能夠讓電池長時間供電。因為特別的結(jié)構(gòu)，它對于地形的變化有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，有著良好的運動性能，能夠在比較復(fù)雜的環(huán)境里面的工作4。故在解決自平衡的同時，還能夠適應(yīng)在各種環(huán)境下的控制任務(wù)。因此，兩輪自平衡車有著廣泛的應(yīng)用前景，其典型應(yīng)用包括代步工具、通勤車、緊急服務(wù)、郵件派送、危險品運輸、滅火、高科技玩具、控制理論測試平臺等方面。此外，由于微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、控

4、制技術(shù)、電源技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，為兩輪自平衡車技術(shù)提供了堅實的理論基礎(chǔ)并極大的降低了研制成本，有力地推動了兩輪自平衡車由理論研究向工程實踐發(fā)展5。1.2國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀近年來，兩輪自平衡小車在國際得到快速的發(fā)展，建立了多個實驗原機(jī)型，提出來眾多解決平衡控制的方案，并對原機(jī)型的自動平衡性能與運動特性進(jìn)行了驗證。兩輪自平衡小車自問世以來，迅速成為研究各種控制理論的理想平臺，具有重大的理論意義，這要歸功于她不穩(wěn)定的動態(tài)性能和系統(tǒng)所具有的非線性6。在兩輪自平衡小車的研究上，國外的專家和愛好者們?nèi)〉昧艘幌盗械某晒?。以下介紹兩個比較先進(jìn)的平衡小車：由美國科學(xué)家David.P.Anders

5、on研發(fā)的兩輪自平衡機(jī)器人Nbot（如圖1）基于倒立擺的小型自平衡兩輪車模型，是由HCllrobotcontroller進(jìn)行控制的。圖1 Nbot由瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院工業(yè)電子實驗室的研究人員研制的名為JOE機(jī)器人（如圖2），是由DSP芯片進(jìn)行控制的，它由車架上方所附的重物模擬實際車中的駕駛者。圖2 JOE機(jī)器人國內(nèi)兩輪自平衡小車的研究也取得了一定的成就。西安電子科技大學(xué)研究出了兩輪自平衡小車，它是一種兩輪式左右并行布置結(jié)構(gòu)的自平衡系統(tǒng)7。它利用伺服放大器ADS作為控制器，選擇兩個Maxson電機(jī)作為執(zhí)行元件，采用自適應(yīng)神經(jīng)模糊控制器對小車這一非線性對象進(jìn)行大范圍控制，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的自平衡。目前，

6、國內(nèi)研究的最多的雙輪直立自平衡小車是微型處理器作為控制核心，車體傾斜角度檢測采用加速度傳感器和陀螺儀。利用PWM技術(shù)動態(tài)控制兩臺直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速8?；谶@些完備而可靠的硬件設(shè)計，設(shè)計出一套獨特可行的軟件算法，實現(xiàn)了對小車的平衡控制9。通過對兩輪自平衡系統(tǒng)的改造，如使用大功率的電機(jī)、采用大容量的電池，使用堅固的材料、更快的cpu、更靈敏的傳感器以及加入控制系統(tǒng)等10，可快速方便的應(yīng)用到眾多環(huán)境中去，如承載 、代步等。目前，市場上有許多平衡車相關(guān)產(chǎn)品，如小米公司9號平衡車、阿爾郎平衡車等。參考文獻(xiàn)1徐國華，譚民.移動機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢J.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，20012行陽陽.基于模糊PD的兩輪自

7、平衡車的設(shè)計.太原理工大學(xué)機(jī)械工程,20133袁洪躍.自平衡兩輪電動車控制系統(tǒng)設(shè)計.重慶大學(xué), 20124 爾桂花,竇曰軒.運動控制系統(tǒng).清華大學(xué)出版社,2002 5王效杰.基于變結(jié)構(gòu)控制的兩輪自平衡小車系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn).西安電子科技大學(xué), 20066梅曉榕.自動控制元件及線路.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,20047孫泓，屈勝利，劉學(xué)超，栗維克.兩輪不穩(wěn)定小車系統(tǒng)中變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計及改進(jìn).西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,20088 張琛.直流無刷電機(jī)原理及應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社,20099王光林.兩輪電動車自平衡控制算法的研究.華南理工大學(xué)車輛工程,201110袁帥.兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計.北京交通

8、大學(xué),2010畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告2設(shè)計方案：2.1項目任務(wù)及要求：設(shè)計一輛兩輪自平衡小車,要求如下:1) 小車在運動時,僅依靠兩輪維持自身平衡,與地面不能有第三接觸點。2) 小車能實現(xiàn)長時間穩(wěn)定的自平衡站立(20秒以上)。3) 在偏離平衡位置較大的角度情況下，仍能自動快速平衡，偏離角在10°以上。4) 探討實用化的渠道,并初步給出實用設(shè)計方案。2.2項目研究內(nèi)容：1) 對小車自身信息的采集，實現(xiàn)將采集的信息向單片機(jī)進(jìn)行傳送。2) 電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計，實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速的控制3) 設(shè)計適合單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)對采集信息的處理及對電機(jī)的控制。4) 兩輪自平衡小車物理實體

9、的設(shè)計，各部分硬件間搭建連接。2.3可行性分析：系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖3所示：L298NATMEGA16A電源mpu-6050直流電機(jī)圖3 系統(tǒng)框圖此次設(shè)計采用ATMEGA16A芯片作為主控芯片，以MPU-6050模塊采集姿態(tài)信息，使用L298N模塊驅(qū)動電機(jī)，鋰電池供電。ATmega16A是一種低功耗微控制器CMOS 8-bit關(guān)于加強(qiáng)AVR基礎(chǔ)的RISC 架構(gòu)。通過執(zhí)行在一個時鐘周期，ATmega16A強(qiáng)大的指令實現(xiàn)吞吐量接近每1 MIPS MHz允許系統(tǒng)設(shè)計師能夠優(yōu)化功耗與處理速度。MPU-6050為全球首例整合性6軸運動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題

10、，減少了大量的封裝空間。MPU-6050可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測范圍。MPU-6050可在不同電壓下工作。其他的特征包含內(nèi)建的溫度感測器、包含在運作環(huán)境中僅有±1%變動的振蕩器。常用于動感測游戲、現(xiàn)實增強(qiáng)、電子穩(wěn)像、行人導(dǎo)航器、“零觸控”手勢用戶接口、姿勢快捷方式認(rèn)證。L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)、繼電器線

11、圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動兩臺直流電機(jī)。兩輪平衡車姿態(tài)傳感器時刻監(jiān)測整個機(jī)械本體的姿態(tài)信息,并將這些信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號交給控制單元處理?？刂茊卧獙@些數(shù)據(jù)經(jīng)過自平衡算法處理后得到控制電機(jī)的相應(yīng)參數(shù),由這個參數(shù)計算出PWM控制信號去控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。電機(jī)驅(qū)動電路接收到PWM信號,并將小信號轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電機(jī)的功率信號,使電機(jī)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)小車的自平衡。2.4進(jìn)度安排： 2月28號 3月20號 查找文獻(xiàn)，熟悉課題背景、任務(wù)，撰寫開題報告。 3月21號 4月10號 系統(tǒng)分析、設(shè)計和仿真。 4月11 號 5 月31號 制作硬件與編寫程序。 6月01號 6月8號 調(diào)試與改進(jìn)。 6月09號 6月14號 撰寫畢業(yè)設(shè)計論文。 6月15號以后 畢業(yè)論文打印、PPT制作及畢業(yè)答辯準(zhǔn)備。 畢 業(yè) 設(shè)