機(jī)器人,設(shè)計(jì),論文,平衡分析解析

1、分類號密級UDC編號本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目單軸雙輪自平衡機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作系別專業(yè)名稱電子信息科學(xué)與技術(shù)年級學(xué)生姓名學(xué)號指導(dǎo)教師二0一六年四月1. 緒論錯(cuò)誤！未定義書簽。1.1 引言錯(cuò)誤！未定義書簽。1.2 本文研究的內(nèi)容錯(cuò)誤！未定義書簽。2. 理論分析錯(cuò)誤！未定義書簽。2.1 自平衡小車的物理建模錯(cuò)誤！未定義書簽。2.2 PID控制技術(shù)錯(cuò)誤！未定義書簽。2.3 簡易對稱互補(bǔ)濾波技術(shù)錯(cuò)誤！未定義書簽。3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤！未定義書簽。3.1 硬件設(shè)計(jì)方案論證錯(cuò)誤！未定義書簽。3.2 軟件設(shè)計(jì)方案論證錯(cuò)誤！未定義書簽。4. 綜合調(diào)試錯(cuò)誤！未定義書簽。5. 總結(jié)錯(cuò)誤！未定義書簽。參考文獻(xiàn)錯(cuò)誤！未定

2、義書簽。附錄部分程序代碼錯(cuò)誤！未定義書簽。摘要：單軸雙輪自平衡機(jī)器人是一個(gè)極不穩(wěn)定的系統(tǒng)，常用來檢驗(yàn)控制算法的有效性。本文主要綜述了單軸雙輪自平衡系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，以及單軸雙輪自平衡系統(tǒng)的研究價(jià)值。然后通過物理建模得到了單軸雙輪自平衡系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，并結(jié)合傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制理論提出了一個(gè)單軸雙輪自平衡小車的設(shè)計(jì)方案。采用了陀螺儀和加速度傳感器分別對車體傾角進(jìn)行檢測，利用對稱互補(bǔ)濾波算法對檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合得到精確的車體傾角，再引入PID技術(shù)對車體姿態(tài)進(jìn)行精確控制。最后對論文所做的工作進(jìn)行了總結(jié)，對未來的研究和發(fā)展做出了展望。關(guān)鍵詞：自平衡電機(jī)驅(qū)動(dòng)PID技術(shù)陀螺儀簡易對稱互補(bǔ)濾波器Abstr

3、act:Theuniaxialtwo-wheeledself-balancingrobotisaveryunstablesystem,sooftenusedtotesttheeffectivenessofthecontrolalgorithm.Inrecentyearsmanyexpertsfromhomeandabroadhavehadadeepresearchonthetheoryofuniaxialtwo-wheeledself-balancing,andthetheorywasgreatlypromoted.Thenthroughthephysicalmodelingthekinema

4、ticcharacteristicswasfound,andCombinedwithsensortechnologyandautomaticcontroltheoryadesignwasPresented.Thegyroscopeandaccelerometersensorsarerespectivelyonrobotinclinationdetection,complementarysymmetryfilteringalgorithmwasusedtodealwithdataandgettheprecisebodyinclination,ThenintroducePIDtechnologyo

5、nvehicleattitudecontrol.Finallythepapermakesaconclusion,implicationsforfutureresearchanddevelopmentprospects.Keywords:self-balancemotor-drivesPIDtechnologygyroscopesimplecomplementaryfiltering1 .緒論1.1 引言近年來，隨著人工智能理論和傳感器技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人理論得到了很大的發(fā)展。做為移動(dòng)機(jī)器人中的一個(gè)重要分支，單軸雙輪自平衡系統(tǒng)也引起了國內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)以及一些機(jī)器人DIY愛好者的關(guān)注。它是一個(gè)

6、絕對不穩(wěn)定系統(tǒng)，必須施加強(qiáng)有力的控制手段才能保重其平衡，所以它可以用于檢驗(yàn)控制算法的有效性。由于引入了人工智能技術(shù)和傳感器技術(shù)所以可以完成復(fù)雜環(huán)境下的復(fù)雜任務(wù)，只需要在硬件上做很少的改動(dòng)就可以增加載人功能，成為單軸雙輪自平衡代步車。2002年瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院工業(yè)電子實(shí)驗(yàn)室的研究人員研制的名為JOE的基于倒立擺的小型自平衡兩輪車模型，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(shí)際車中的駕駛者。研究人員通過陀螺儀和光電編碼器測量的數(shù)據(jù)，用線性狀態(tài)反饋控制器控制整個(gè)系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定1。同年，美國kgo公司的SteveHassenplug設(shè)計(jì)了兩輪自平衡傳感式機(jī)器人Lcgway。這個(gè)設(shè)計(jì)引入了

7、電機(jī)的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，它可以工作在傾斜面甚至不規(guī)則表面上，可遙控操作。通過對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行遙控，Legway可以在前行，后退和轉(zhuǎn)彎時(shí)保持平衡，可以實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)彎和U型回轉(zhuǎn)。同年三洋電機(jī)展示了可依靠上體倒立來保持平衡的雙輪行走機(jī)器人"FLATHRU”，大小為602X463X564mm,重20Kg。移動(dòng)速度方面，平地行走時(shí)最大30cm/s,可搬運(yùn)重量最大為10Kg,運(yùn)行時(shí)間約為1小時(shí)。車輪中嵌有一個(gè)輸出功率為90W的直流電動(dòng)機(jī)，頭部則嵌入了兩個(gè)相同的電動(dòng)機(jī)。為了檢測上體的平衡情況，使用了3個(gè)陀螺儀和1個(gè)3軸加速度傳感器。同年，美國Segway公司開發(fā)了世界上第一部能夠自平衡的兩輪電動(dòng)車，時(shí)速高

8、達(dá)20Km/h。該電動(dòng)車把人們從傳統(tǒng)的“三點(diǎn)平衡”和以低重心、大而穩(wěn)的底盤設(shè)計(jì)來避免傾斜的束縛中解脫出來。通過檢測車體的角度和角速度，用適當(dāng)?shù)幕貜?fù)轉(zhuǎn)矩來避免傾斜摔倒。Segway使用的是航空級陀螺儀、一組傾斜傳感器、一套復(fù)雜的“直覺軟件”、一個(gè)加速度計(jì)、十個(gè)微處理器、兩個(gè)鎳氫電池組、一臺(tái)電動(dòng)機(jī)和每秒檢測一百多次駕駛者重心的傳感器。2007年，日本早稻田大學(xué)的RyoWatanabe在Legway的啟發(fā)下設(shè)計(jì)制作了NXTway,美國麻省理工學(xué)院的幾名學(xué)生設(shè)計(jì)制作出了一臺(tái)自平衡小車，中心處理器采用PIC單片機(jī)2。以上是國內(nèi)外兩輪自平衡機(jī)器人和自平衡代步車的研究現(xiàn)狀。這些機(jī)器人和代步車對本課題的研究提

9、供了很好的指導(dǎo)作用。為下面的研究工作提供了很好的分參考。1.2 本文研究的主要內(nèi)容本文研究主要的內(nèi)容包括：1）雙輪自平衡機(jī)器人的物理建模；2）對幾種常用的直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行分析對比，選取一款合適的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；3）對幾種常用的測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法進(jìn)行分析和對比，選取一種合理的測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方案；4）仔細(xì)研究系統(tǒng)中使用的多個(gè)不同電壓值的電源，對常用的穩(wěn)壓電路進(jìn)行分析和對比，選取一種合適的電源方案；5）研究PID算法的基本原理，并將PID算法應(yīng)用在直流有刷電機(jī)的控制中；6）對幾種常用的陀螺儀和加速度計(jì)等慣性元件的性能進(jìn)行分析對比，并深入研究互補(bǔ)對稱濾波數(shù)據(jù)融合技術(shù)，選出合適的陀螺儀和加速度計(jì)；

10、7）采用AltiumDesigner軟件繪制電路原理圖和PCB板，搭建STM32最小硬件系統(tǒng)，利用RVMDKV4.2編譯調(diào)試軟件，以及STM32固件庫完成STM32的軟件開發(fā)；8）仔細(xì)研究系統(tǒng)中各個(gè)模塊之間的通信協(xié)議以及實(shí)現(xiàn)方法，選取合適的通信方案。2.理論分析2.1 自平衡小車的物理建模圖2-1單軸雙輪自平衡機(jī)器人的受力示意圖機(jī)器人受力分解圖如圖2-1所示。其中規(guī)定質(zhì)心為O,水平方向?yàn)閤垂直方向?yàn)閥,機(jī)器人支架中心軸線規(guī)定為軸 m,與其垂直方向的軸線規(guī)定為n,日為機(jī)器人的偏角。機(jī)器人本質(zhì)不穩(wěn)定，車體傾斜的原因源于重力在水平方向的分量。為了保持平衡，機(jī)器人x方向的驅(qū)動(dòng)力f必須等于或大于重力沿著

11、水平方向x軸的分力fH o當(dāng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，水平方向的推力fF(t)= fH (t) 3o由圖2-1得，重力沿著水平方向的分量為:fH (t) = (M m)gtan 二(2-1)電機(jī)產(chǎn)生的水平方向的驅(qū)動(dòng)力f (t)為:上 Kgf(t)=常(2-2)其中，R為車輪半徑，Kg減速比，yt)電機(jī)扭矩。如果已知電機(jī)的最大扭矩，可求得單軸雙輪自平衡機(jī)器人達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的傾角為:arctan3L_ (M m)g(2-3)將電機(jī)的最大扭矩ax代入式2-2,可以得到最大驅(qū)動(dòng)力fmax,再將fmax代入式2-3可得到單軸雙輪自平衡機(jī)器人的最大可控角度日maxo上面的計(jì)算是在系統(tǒng)沒有動(dòng)能損失的情況下，即小

12、車在調(diào)整平衡過程中沒有運(yùn)動(dòng)，如果考慮這些因素，系統(tǒng)的控制范圍要小一些，因此可以最終確定系統(tǒng)的控制范圍為：6maxM8m.-8max22-4)55以上的物理建模完成了對單軸雙輪自平衡機(jī)器人的受力分析和最大可控角度推導(dǎo)，旨在為PID控制提供理論指導(dǎo)。2.2PID控制技術(shù)PID是比例(Proportion)、積分(Integration)、微分(Differentiation)的英文縮寫。PID控制技術(shù)是工程應(yīng)用中最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律，簡稱PID控制或PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，因而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)

13、不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，理制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。而本系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，其約束條件不確定，很難通過物理建模直接得到系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型。因此本系圖3-1 PID控制系統(tǒng)原理圖如圖3-1所示PID控制器就是根據(jù)

14、系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。其中r(t)為給定值，y(t)為系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差e(t)e(t)=y(t)-r(t)(3-1)e(t)作為PID控制的輸入，y(t)作為PID控制器的輸出和被控對象的輸入。所以模擬PID控制器的控制規(guī)律為：1tde什)u(t)=Kpe(t)+-e(t)dt+Td2(3-2)Ti0dt其中：Kp控制器的比例系數(shù)Ti控制器的積分時(shí)間，也稱積分系數(shù)Td控制器的微分時(shí)間，也稱微分系數(shù)將偏差的比例(Proportion)、積分(Integral)和微分(Differential)通過線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對

15、被控對象進(jìn)行控制，這樣的控制器稱PID控制器。由于計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)進(jìn)入了控制領(lǐng)域。人們將模擬PID控制規(guī)律引入到計(jì)算機(jī)中來。對式3-2的PID控制規(guī)律進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q，就可以用軟件實(shí)現(xiàn)PID控制，即數(shù)字PID控制。數(shù)字PID可分為：位置式PID算法和增量式PID算法。本系統(tǒng)是一個(gè)基于嵌入式微處理器的數(shù)字控制系統(tǒng)，因此引入的PID為數(shù)字式PID,再結(jié)合本系統(tǒng)的特性，最終選取了增量式PID算法為本系統(tǒng)的核心控制策略。所謂增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量iuk4o當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的控制量是增量，而不是位置量的絕對數(shù)值時(shí)，可以使用增量式PID控制算法進(jìn)行控制。增量式PID可以表達(dá)為：:

16、u"Uk-u=Kp(ek一5TQTdek-2ekr一")TiTTTd2Td、Td=Kp(1+)ek-Kp(1+)eku+Kpek(3-3)TiTTT=AekBek4Cek-2其中A=Kp(1+工+亞)；TiTB t Kp(12TdTnKpTd由式3-3可以看出，如果計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T,一旦確定A、B、C,只要使用前后三次測量的偏差值，就可以由式求出控制量。增量式PID控制算法與位置式PID算法相比，計(jì)算量小的多，因此在實(shí)際中得到廣泛的應(yīng)用。而位置式PID控制算法也可以通過增量式控制算法推出遞(3-4)推計(jì)算公式:Uk=UkUk式3-4就是目前在計(jì)算機(jī)控制中廣

17、泛應(yīng)用的數(shù)字遞推PID控制算法。有了控制算法后最主要的就是控制器參數(shù)整定，即決定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)、積分時(shí)間Ti、微分時(shí)間Td和采樣周期Ts的具體數(shù)值。整定的實(shí)質(zhì)是通過改變調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其特性和過程特性相匹配，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)，取得最佳的控制效果。整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的方法很多，歸納起來可分為兩大類，即理論計(jì)算整定法和工程整定法。理論計(jì)算整定法有對數(shù)頻率特性法和根軌跡法等；工程整定法有湊試法、臨界比例法、經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法和響應(yīng)曲線法等。工程整定法特點(diǎn)不需要事先知道過程的數(shù)學(xué)模型，直接在過程控制系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場整定方法簡單、計(jì)算簡便、易于掌握。本系統(tǒng)的建模十分復(fù)雜，無法得出一個(gè)精確的物理模型

18、，所以在本系統(tǒng)的PID算法參數(shù)選取采用工程整定法。通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試來不斷的優(yōu)化控制參數(shù)，提高單軸雙輪自平衡機(jī)器人的穩(wěn)定度。2.3簡易對稱互補(bǔ)濾波為進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，單軸雙輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)的主控制器必須對工作環(huán)境和任務(wù)有足夠的了解，這樣就離不開相應(yīng)的傳感器。機(jī)器人姿態(tài)檢測系統(tǒng)中通常使用的傳感器為慣性傳感器，本系統(tǒng)用到的慣性傳感器有加速度傳感器和陀螺儀，另外還要用到光電碼盤測速模塊，他們分別用于檢測車身傾斜角、傾斜角速度和車體實(shí)時(shí)速度。這三種信號主要反應(yīng)了機(jī)器人的位姿和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。本節(jié)主要討論如何對來自慣性傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，以得到最優(yōu)的車體姿態(tài)信息2.3.1 加速度傳感器數(shù)據(jù)處理加速度傳感器可以測

19、量動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的線性加速度，靜態(tài)加速度的一個(gè)典型例子就是重力加速度，用加速度傳感器來直接測量物體靜態(tài)重力加速度可以確定傾斜角度。當(dāng)加速度出于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，加速度傳感器的輸出為其三個(gè)敏感軸上的重力加速度分量。圖3-2加速度傳感器加速度分解圖當(dāng)我們選取加速傳感器的X敏感軸作為測量主軸，如圖所示，則X敏感軸上的加速度為:ax=gsin：(3-5)所以，求得車體傾角:araarcsin1ax|(3-6)g加速度計(jì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，不適合跟蹤動(dòng)態(tài)角度運(yùn)動(dòng)；如果期望快速的響應(yīng)，又會(huì)引入較大的噪聲。再加上其測量范圍的限制，使得單獨(dú)應(yīng)用加速度計(jì)檢測車體傾角并不合適，需要與其它傳感器共同使用。2.3.2 陀螺儀數(shù)據(jù)處理單

20、軸雙輪自平衡控制系統(tǒng)除了需要實(shí)時(shí)的傾角信號，還要用到角速度以給出控制量。理論上可以對加速度計(jì)測得的傾角求導(dǎo)得到角速度，但實(shí)際上這樣求得的結(jié)果往往偏差很大。陀螺儀具有動(dòng)態(tài)性能好測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，但是由于溫度變化、摩擦力和不穩(wěn)定力矩等因素，陀螺儀會(huì)產(chǎn)成漂移誤差。兩輪自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)除了需要實(shí)時(shí)的傾角信號，還要用到角速度以給出控制量。理論上可以對加速度計(jì)測得的傾角求導(dǎo)得到角速度，但實(shí)際上這樣求得的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于陀螺儀測值的精度，陀螺儀具有動(dòng)態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)。陀螺儀的直接輸出值是相對靈敏軸的角速率，角速率對時(shí)間積分即可得到圍繞靈敏軸旋轉(zhuǎn)過的角度值。由于系統(tǒng)采用微控制器循環(huán)采樣程序獲取陀螺儀角速率信息,

21、即每隔一段很短的時(shí)間采樣一次，所以采用累加的方法實(shí)現(xiàn)積分的功能來計(jì)算角度化anglen=anglen+gy0dt(3-7)anglen為陀螺儀采樣到第n次的角度值；angle為陀螺儀第n-1次采樣時(shí)的角度值；gyro為陀螺儀的第n次采樣得到的瞬時(shí)角速率值；出為主循環(huán)程序運(yùn)行一遍所用時(shí)間?？梢?，用陀螺儀輸出值積分計(jì)算角度，要求處理器運(yùn)算速度足夠快，采樣程序應(yīng)盡量簡練，程序循環(huán)一遍所用時(shí)間出越小，采樣頻率越高，最后積分得到的角度值才能越精確。陀螺儀是用來測量角速度信號的，通過對角速度積分，能得到角度值。但由于溫度變化、摩擦力和不穩(wěn)定力矩等因素，陀螺儀會(huì)產(chǎn)成漂移誤差。而無論多么小的常值漂移通過積分都

22、會(huì)得到無限大的角度誤差。因而，也不能單獨(dú)使用陀螺儀作為本機(jī)器人傾角傳感器。綜上所述，對于姿態(tài)檢測系統(tǒng)而言，單獨(dú)使用陀螺儀或者加速度計(jì)，都不能提供有效而可靠的信息來保證車體的平衡。陀螺儀雖然動(dòng)態(tài)性能良好，能夠提供瞬間的動(dòng)態(tài)角度變化，不受加速度變化的影響，但是由于其本身固有的特性、溫度及積分過程的影響，存在累積漂移誤差，不適合長時(shí)間單獨(dú)工作；加速度計(jì)靜態(tài)響應(yīng)好，能夠準(zhǔn)確提供靜態(tài)的角度，但受動(dòng)態(tài)加速度影響較大，不適合跟蹤動(dòng)態(tài)角度運(yùn)動(dòng)。為了克服這些困難，采用一種簡易互補(bǔ)濾波方法來融合陀螺儀和加速度計(jì)的輸出信號，補(bǔ)償陀螺儀的漂移誤差和加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)誤差，得到一個(gè)更優(yōu)的傾角近似值。2.3.3 傳感器數(shù)據(jù)融

23、合經(jīng)過融合的多傳感器系統(tǒng)能完善地、精確地反映檢測對象特性，消除信息的不確定性，提高傳感器的可靠性5。針對于陀螺儀數(shù)據(jù)噪聲小，短時(shí)間內(nèi)誤差小，溫度漂移大，積分積累誤差較大的特性，加速度傳感器對震動(dòng)敏感，無積累誤差，長時(shí)間穩(wěn)定的特性。加速度傳感器需要采用濾波算法濾除短時(shí)性快速變化的信號，保留長時(shí)性緩慢變化的信號，所以對加速度計(jì)應(yīng)用低通濾波算法。對于陀螺儀，情況正好相反，應(yīng)用高通濾波方法處理陀螺儀數(shù)據(jù)，來抑制陀螺儀積分的漂移。針對加速度計(jì)和陀螺儀的姿態(tài)檢測系統(tǒng)濾波器結(jié)構(gòu)如圖3-3所示anglen=agy0°anglen,+gyrondt)+aaccega.(3-8).dt式中agyro=為

24、陀螺儀的高通濾波系數(shù)，aacce=為加速度計(jì)的低通濾dt.dt波系數(shù)。為濾波器的時(shí)間常數(shù)。對于低通濾波而言，變化周期大于時(shí)間常數(shù)的信號可以完整的通過；變化周期小于時(shí)間常數(shù)的信號被過濾掉；高通濾波剛好相反。這個(gè)時(shí)間常數(shù)，是更相信陀螺儀還是更相信加速度計(jì)的一個(gè)界限值。變化周期比施的，陀螺儀積分的角度更讓人相信，而加速度計(jì)噪聲被過濾掉；變化周期比上的，加速度計(jì)測定的角度值比陀螺儀更重要，因?yàn)榇藭r(shí)陀螺儀會(huì)發(fā)生漂移了。針對陀螺儀的高通濾波和針對加速度計(jì)的低通濾波兩部分恰好可組成一個(gè)互補(bǔ)濾波器?？梢钥吹剑瑑蓚€(gè)濾波系數(shù)相加結(jié)果為1,所以濾波結(jié)果是一個(gè)比較精確的、線性的角度估計(jì)值。濾波器設(shè)計(jì)完成后，時(shí)間常數(shù)的

25、選取是十分重要的，通過對陀螺儀和加速度傳感器的輸出特性的分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)法選取一個(gè)合適的就完成了濾波器的設(shè)計(jì)。3 .系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)以上對單輪自平衡機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的分析，提出三種可行性較大的實(shí)現(xiàn)方案：方案一：使用一個(gè)型號為STC12C5A60S2的單片機(jī)和兩個(gè)型號為E18-D30NK的紅外傳感器實(shí)現(xiàn)的簡易單軸雙輪自平衡機(jī)器人。圖3-1基于紅外傳感器的雙輪自平衡機(jī)器人E18-D30NK紅外傳感器是一種開關(guān)式的紅外傳感器，它由一個(gè)紅外的發(fā)射電路發(fā)射調(diào)制的紅外光，經(jīng)地面反射后進(jìn)入接收光敏傳感器電路，利用發(fā)射光的強(qiáng)度來測傳感器和地面之間的距離。它測距的方式是一種比較式的測距方式，即開始通過調(diào)節(jié)電位器來為傳

26、感器設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)傳感器與地面之間的距離大于閾值時(shí)傳感器輸出高電平，當(dāng)傳感器與地面之間的距離小于閾值時(shí)傳感器輸出低電平。如圖4-1所示，將兩個(gè)E18-D30NK紅外傳感器裝在車的兩臂上，當(dāng)車體向左傾斜的時(shí)候Hi小于閾值，紅外傳感器A將輸出低電平，當(dāng)主控單片機(jī)STC12C5A60S2檢測到此低電平的時(shí)候會(huì)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)使車體向左運(yùn)動(dòng)，以維持平衡。車體向右傾斜時(shí)有類似的控制過程。方案一的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，控制算法也相對簡單，而且可以反應(yīng)單軸雙輪自平衡的動(dòng)力學(xué)過程。方案一的缺點(diǎn)：紅外傳感器E18-D30NK為反射式的紅外傳感器，測量的結(jié)果受地面的顏色、平整度等各種因素的影響。紅外傳

27、感器E18-D30NK為二值化得信號輸出，導(dǎo)致在對電機(jī)的控制時(shí)無法引入PID控制技術(shù)。方案二：使用STC12C5A60S2單片機(jī)和兩個(gè)超聲波測距模塊實(shí)現(xiàn)的單軸雙輪自平衡機(jī)器人。圖3-2基于超聲波傳感器的單軸雙輪自平衡機(jī)器人超聲波傳感器由超聲波的發(fā)射頭和發(fā)射電路以及接收頭和接受電路構(gòu)成，超聲波傳感器的測距原理是聲波在均勻的介質(zhì)中的傳播速度是一個(gè)常數(shù)V（在25c時(shí)為340m/s）,只要知道了聲波從發(fā)出到接收到回波的時(shí)間就可以用(4-1)求的距離So利用STC12C5A60S2單片機(jī)對超聲波傳感器發(fā)出超聲波到接收到回波的時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，就可以得到圖4-2中的Hi和H2的值，從而就可以推算出車體的傾角-

28、 - arcsinH2 -Hi(4-2)這個(gè)計(jì)算的過程可以由STC12C5A60S2單片機(jī)完成，在求得傾角a后單片機(jī)可以根據(jù)傾角的大小按編程時(shí)指定的PID算法再結(jié)合PWM技術(shù)使電機(jī)產(chǎn)生不同速度的轉(zhuǎn)動(dòng)，來維持車體的平衡。方案二的優(yōu)點(diǎn)：超聲的波長很大，在經(jīng)過地面反射的時(shí)候?qū)Φ孛娴念伾推秸纫蟛桓撸床捎眠@種方案能適應(yīng)更一般性的場合；通過連續(xù)測量到地面的距離,可以比較精確的得到車體的傾角，從而在控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以引入PID算法,使車體平衡的調(diào)整變得更精確。方案二的缺點(diǎn)：超聲波在空氣中的傳播容易受到擾動(dòng)，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是一個(gè)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，所以受到擾動(dòng)的概率更大。在傾斜的路面上，比如上坡，這種方案就顯得

29、心有余而力不足了。方案三：使用STM32微處理器和陀螺儀以及加速度傳感器實(shí)現(xiàn)的單軸雙輪自平衡機(jī)器人。陀螺儀和加速度傳感器圖3-3基于陀螺儀和加速度傳感器的雙輪自平衡機(jī)器人ENC-03陀螺儀是一種應(yīng)用科氏力原理的角速度傳感器，它輸出一個(gè)和角速度成正比的模擬電壓信號，通過對角速度的積分可以得到角位移，即角度值。MMA7361QR3軸小量程加速傳感器是檢測物件運(yùn)動(dòng)和方向的傳感器，它根據(jù)物件運(yùn)動(dòng)和方向改變輸出信號的電壓值，通過AD變換就可以直接得到角度值。陀螺儀數(shù)據(jù)噪聲小，短時(shí)間內(nèi)誤差小，溫度漂移大，積分積累誤差較大；加速度傳感器對震動(dòng)敏感，無積累誤差，長時(shí)間穩(wěn)定。鑒于陀螺儀和加速度傳感器的對稱互補(bǔ)特

30、性，本方案中用陀螺儀ENC-03和3軸小量程加速傳感器MMA7361QR進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)融合得到車體傾角，這種方法獲得的角度值很精確，并且可以最大程度的降低車體抖動(dòng)對車體傾角檢測的影響。為了方便對參數(shù)的調(diào)整，本方案中的互補(bǔ)對稱濾波使用軟件實(shí)現(xiàn)，因此需要一個(gè)高性能的微處理器做為核心處理器。出于性價(jià)比的考慮最終選擇了意法半導(dǎo)體的STM32微處理器做為核心處理器。陀螺儀和加速度傳感器分別得到車體傾角值，經(jīng)STM32的處理后得到數(shù)據(jù)融合后的精確車體傾角值，STM32根據(jù)此角度值通過PID算法和PWM技術(shù)來精確的控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使車體保持平衡。方案三的優(yōu)點(diǎn)：車體的傾角的獲取不依賴于單軸雙輪自平衡小車所處的環(huán)

31、境，具有普遍的適用性。采用了多傳感器的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，減小了單一傳感器的固有缺陷對測量精度的影響，提高了測量精度。方案三的缺點(diǎn)：使用多組傳感器和高性能的控制器，成本上有所增加。通過對以上三種方案的理論分析和實(shí)驗(yàn)對比，最終確定使用方案3來實(shí)現(xiàn)單軸雙輪自平衡機(jī)器人。3.1 硬件設(shè)計(jì)方案論證如圖3-4所示，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將系統(tǒng)分為，電源模塊，主控制器模塊，角度與加速度傳感器模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電機(jī)測速模塊，人機(jī)交互模塊。人機(jī)交互模塊完成各種用戶參數(shù)的輸入和自平衡機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)的顯示，其主要由一塊液晶屏和一片STC12C5A60S2單片機(jī)組成，人機(jī)交互模塊獲得的用戶輸入?yún)?shù)由STC12C5

32、A60S2通過串口傳送給主控制器STM32,人機(jī)交互模塊要顯示的信息由STM32通過串口傳送給STC12C5A60S2;陀螺儀得到的角速度模擬量由STM32自帶的12位高精度，高采樣率的AD轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，加速度傳感器輸出的角度值由STM32通過IIC總線讀取，在此之后STM32對這兩路傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行對稱互補(bǔ)濾波融合，得到準(zhǔn)確的車體傾角，根據(jù)這個(gè)傾角值以及光電碼盤測速模塊返回電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)，STM32按照PID算法得電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和角度，再通過串口給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送相應(yīng)的命令，使其轉(zhuǎn)動(dòng)來維持單軸雙輪自平衡系統(tǒng)的穩(wěn)定。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中運(yùn)用了PWM技術(shù)對電機(jī)的速度進(jìn)行控制。同時(shí)光電碼盤測速

33、模塊對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，并反饋到系統(tǒng)中，輔助系統(tǒng)完成PID控制算法。圖3-4單軸雙輪自平衡機(jī)器人的原理框圖3.1.1 .1電源設(shè)計(jì)本系統(tǒng)是一個(gè)移動(dòng)的系統(tǒng)，又有電機(jī)等大功率器件，因此采用四塊6V10Ah的鉛酸電池做為系統(tǒng)的電源，接法為兩用兩并，形成一個(gè)12V20Ah的直流電源。由于系統(tǒng)中存在著多種微控制器，需要5V和3.3V的電壓源。這兩個(gè)電壓源用12V直流電源通過穩(wěn)壓模塊獲得。目前比比較常用的電源穩(wěn)壓芯片從工作原理上分為兩種，一種為線性穩(wěn)壓，另一種為開關(guān)穩(wěn)壓。如圖5-1、圖5-2所示是兩種典型的穩(wěn)壓電路。圖3-52576開關(guān)穩(wěn)壓芯片應(yīng)用電路圖4-27805線性穩(wěn)壓芯片應(yīng)用電路從電路中很明顯可

34、以看出他們之間的差別，開關(guān)電源穩(wěn)壓芯片的外圍電路器件相對較多，比較復(fù)雜；而線性穩(wěn)壓電源的外圍電路相對簡單，更節(jié)省PCB板空間。開關(guān)穩(wěn)壓芯片的輸出紋波系數(shù)一般比較大，而線性穩(wěn)壓芯片的輸出紋波系數(shù)一般比較小。但是線性穩(wěn)壓芯片的轉(zhuǎn)換效率很低，特別是當(dāng)需要降低的電壓范圍比較大的時(shí)候，往往低于50%;而開關(guān)穩(wěn)壓芯片的轉(zhuǎn)換效率通?？梢赃_(dá)到95%。轉(zhuǎn)換效率低還帶來了一個(gè)問題就是穩(wěn)壓芯片自身會(huì)發(fā)熱，使其穩(wěn)壓性能迅速惡化。以上分析并不能說明開關(guān)穩(wěn)壓芯片就一定好，要根據(jù)具體的應(yīng)用場合合理的選取。在本系統(tǒng)中5V的電壓源負(fù)載比較重，對電壓紋波也不是很敏感，所以12V到5V的穩(wěn)壓模塊采用開關(guān)電源穩(wěn)壓芯片，電路如圖4-1

35、所示。3.3V電壓源的負(fù)載很輕，主要給加速度傳感器供電，對電壓紋波敏感，所以選用線性穩(wěn)壓芯片ASM1117,電路如圖5-3所示。圖5-3系統(tǒng)中3.3V電源穩(wěn)壓電路3.1.2 主控模塊設(shè)計(jì)主控模塊采用意法半導(dǎo)體的STM32F103ZET6芯片搭建的一個(gè)硬件平臺(tái)。STM32F103ZET6是一款A(yù)RM32位的Cortex-M3內(nèi)核的微處理器，512K字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器，高達(dá)64K字節(jié)的SRAM,最高時(shí)鐘頻率為72MHz,三個(gè)12為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，多達(dá)21通道，支持12通道的DMA,多達(dá)13個(gè)通信接口其中有5個(gè)USART,多達(dá)112各通用IO口。ADC為陀螺儀的輸出模擬信號的 AD轉(zhuǎn)換提供了方便,5個(gè)

36、USART為各模塊和主控電路之間的通信提供了方便的接口6I箕 $L.WIb m .MWgMrie 3 A N NTMCfTn r & Mblluu-feLttHl mJWIT ft? I b 1A 5 MTU nClMlKT- DM i«nIVU1WL- M ¥1詢工Al MTN W>W«- 2 irtrawL'm w>TWC 2 hW +m'MCli9MT MTU 方E44 LMbi-M JUU awAnr* iHvsw Mnwa e禺k；*弓制JtlSMLl IMHIM. Jill mr m «-WT第 n Kii

37、 真工2JIU制K fCJ皿獨(dú) E晨 HU4 0 2 的，如m* JImjmilT出爐 雄 血. jMMIgLiumaue m'Mic miiiw o&imc cwJ nTDfl qri、皿 b411Ml CtUim NVSA 3 F!I*T 14M .huBM H U-Nh& hLi- -g EHgQ » PM1T1W EILim Hi IulH* AHi 霓jpguc UQvrnuft cw nW.il K1HWCHI j»Svi.'i tMUbwu JMinau m 7WMTUTM； ,WaTli FBMlAKWWOiHWU 支出* 口

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39、ZImTiIWI mi".Tnui E U Ml Cl 三喝7TMr? 日 Hid心心廿33Wi'WI? IMTIMI CXTblh CICM MliADL'IT h-Rl IM>Ml L*刷WII-TML' W3lli!-Wlfewr H VA .nrowrir 也 :A* m-fffeh-MU-9 Klh-HML- Ml wwrw a * 5NMMTWa 的 乜濟(jì)1HlUTI mr-AMTIMI HTBllVBCr Ml l；33 I CI&LOR.MXTIUi CWUW3H fAlWr UflTI IKUMI CWRUMHI MX I Cb

40、J>MLV rrhrrw rMtonm Kfe llM m-KI£l Or 1R7M C*&iro H K.wzc unLirM CHinEm a- w£ .WK IP PC* RTfWw- rMh Rjsair iNnIT*ii"pTT*KiIE lUHMC- m HIIHMZ 岫 IHHCMWi陽源 wiwwr 口iiMAMi點(diǎn)的 jS>m工tMRTSUlVMaT- II1i"I1MP CQH-13g MX?沿IWJ4 羽ktrczN-押rTfcFD=nH-由于本系統(tǒng)涉及到了一些數(shù)字信號處理，使用專用的DSP芯片成本會(huì)很高，而且開

41、發(fā)難度也很大。所以采用了一種折中的芯片選型方案，選擇了一款高性價(jià)比的嵌入式微處理器做主控板。從STM32F103ZET6的指令的吞吐量和存儲(chǔ)空間上看，此款芯片很適合做為本系統(tǒng)的主控芯片。通其豐富的外部設(shè)備，如圖5-5STM32主控板原理圖（部分）圖5-6為STM32F103ZET6的時(shí)鐘電路，OS1為高速時(shí)鐘，為STM32F103ZET6內(nèi)核和外部設(shè)備提供工作時(shí)鐘。OS2為一個(gè)低頻晶振，為STM32F103ZET6提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘。圖5-7為STM32F103ZET6的復(fù)位電路，采用積分型復(fù)位電路，復(fù)位為低電平有效，此電路具有上電復(fù)位和按鍵復(fù)位的功能網(wǎng)。OS1JTAGIIDGND圖5-6STM32

42、主控板時(shí)鐘電路圖5-7STM32復(fù)位電路圖5-8STM32JTAG仿真接口電路圖5-8為STM32的JTAG仿真接口電路，在一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)中，軟件調(diào)試往往很花費(fèi)時(shí)間，如果系統(tǒng)上留有JTAG接口，可以通過JTAG對系統(tǒng)進(jìn)行在線調(diào)試，可以讓程序單步執(zhí)行，從而可以查看程序的運(yùn)行路徑，很容易定位軟件中的邏輯錯(cuò)誤，提高開發(fā)效率。3.1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊通過近一段時(shí)間的研究，直流有刷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電路常用的有以下四種9,下面就對他們的特性進(jìn)行分析。方案一：繼電器搭建的H橋電路；圖5-9繼電器H橋電路在大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)中繼電器實(shí)現(xiàn)的H橋電路是一種性價(jià)比很高的設(shè)計(jì)方案,它能承受的電流很大，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)編程控制電機(jī)

43、的正反轉(zhuǎn)。但是繼電器動(dòng)作過程中有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，所以其能達(dá)到的響應(yīng)速度不高，繼電器的典型響應(yīng)時(shí)間為2ms,不適合高速的應(yīng)用場合。同時(shí)繼電器的觸點(diǎn)容易產(chǎn)生火花，影響繼電器的壽命。方案二：L298搭建的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。用L298搭建的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性很好，但是其能承受的電流比較小。圖5-10L298直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路方案三：大功率MOS管搭建的H橋電路圖5-11大功率MOS管H橋電路這個(gè)電路是在研究單軸雙輪自平衡

44、小車的時(shí)候自行設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，兩個(gè)PMOS和兩個(gè)NMOS管搭建了一個(gè)H橋，為了防止PMOS和NMOS同時(shí)導(dǎo)通形成短路現(xiàn)象，利用LM324形成互鎖的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，使沒一邊的PMOS和NMOS始終只有一個(gè)處于導(dǎo)通狀態(tài)。但是在測試的時(shí)候發(fā)現(xiàn)MOS管還是發(fā)燙，經(jīng)過仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，原因是LM324的輸出端得電平變化沿不是陡峭，既兩個(gè)MOS管存在同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象，雖然這個(gè)過程十分的短暫，但是短路電流很大，所以MOS管發(fā)燙。改進(jìn)辦法是在NMOS管和地之間插入一個(gè)NMOS管。在LM324電平轉(zhuǎn)變的時(shí)候先是插入的NMOS管截至。這樣就防止了短路發(fā)生，MOS也不發(fā)燙了。方案四：基于BTS7960的H橋驅(qū)動(dòng)電路II-n

45、-TKLKMK：:本工士"J圖5-12BTS7960H橋驅(qū)動(dòng)電路智能功率芯片BTS7960是應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大電流半橋高集成芯片，它帶有一個(gè)P溝道的高邊MOSFET、一個(gè)N溝道的低邊MOSFET和一個(gè)驅(qū)動(dòng)IC,集成的驅(qū)動(dòng)IC具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生和過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護(hù)的功能。BTS7960通態(tài)電阻典型值為16mQ,驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)43A。上圖是由四個(gè)BTS7960搭建的一個(gè)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流有刷電機(jī)。通過對上面四個(gè)電路特性分析和對比后發(fā)現(xiàn)，繼電器H橋電路的響應(yīng)速度太慢無法滿足本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求；L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路其電流驅(qū)動(dòng)那能力太

46、差，無法滿足本系統(tǒng)功率要求；大功率MOS管H橋電路，性能很不錯(cuò)，但是體積過大，不利于潛入到本系統(tǒng)中；本系統(tǒng)選取了性能穩(wěn)定的基于BTS7960的H橋驅(qū)動(dòng)電路作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。BTS7960的H橋驅(qū)動(dòng)電路采用了模塊化設(shè)計(jì)，將STC12C5A60S2單片機(jī)集成到驅(qū)動(dòng)板上，四個(gè)BTS7960芯片直接受STC12C5A60S2的控制，STC12C5A60S2E通過串口從STM32主控板接收到電機(jī)控制命令后，產(chǎn)生相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制時(shí)序。電機(jī)調(diào)速采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式實(shí)現(xiàn)，PWM是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中

47、。本系統(tǒng)中，PWM主要用于電機(jī)調(diào)速，屬于PWM在功率控制中的應(yīng)用。STC12C5A60S2單片機(jī)含有兩路硬件PWM發(fā)生器，可以產(chǎn)生最高頻率為150KHz的PWM調(diào)制輸出。STC12C5A60S2的PWM輸出引腳為P1.3和P1.4,將這兩引腳連接到BTS7960芯片的INH引腳上，只需在軟件中設(shè)置比較寄存器CCAP0H、CCAP0L進(jìn)行設(shè)置就可以完成PWM調(diào)制。3.1.4 碼盤測速模塊為了精確地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，為PID控制算法提供反饋信號，必須對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量。常用的非接觸轉(zhuǎn)速的測量方法有兩種，一種是利用霍爾傳感器，另一種方案是利用光電碼盤10?；魻杺鞲衅鞲袘?yīng)的是磁場強(qiáng)度的變化，需要和磁鋼

48、配合使用才能完成對轉(zhuǎn)速的測量；它的優(yōu)點(diǎn)是能工作于灰塵多等惡劣的環(huán)境中，它的不足之處是做高精度的測量時(shí)，需要大量的磁鋼，安裝麻煩。光電碼盤利用反射式紅外傳感器進(jìn)行測量，碼盤的制作和傳感器安裝都比較容易，但是涉及到了光電器件，在多灰塵等惡劣環(huán)境中無法正常工作?？紤]到本系統(tǒng)是用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，所以選取光電碼盤方式對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量。圖4-13光電測速碼盤根據(jù)控制精度白要求，采用60線的碼盤作為測速碼盤，如圖5-13所示，碼盤的基板采用ABS板制作，作用黑色記號筆畫上線條。圖5-14為光電碼盤測速模塊的電路原理圖，反射式紅外傳感器ST188的發(fā)射管發(fā)射出紅外先進(jìn)過碼盤的反射后進(jìn)入ST188的紅外接收管

49、，接收管按上圖中的接法偏置后，在接收到紅外光信號時(shí)ST188的C管腳上的電壓將會(huì)降低，當(dāng)沒有接收到紅外光信號時(shí),ST188的C管腳呈現(xiàn)圖電平。一般的情況下按圖5-14中電路配置，ST188的C管腳輸出的低電平可以直接觸發(fā)單片機(jī)的中斷，但是為了增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在紅外傳感ST188和STC11F04E之間力口入了一個(gè)電壓比較器LM324對ST188的C管腳輸出的信號進(jìn)行二值化，得到一個(gè)脈沖序列。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候就可以形成如圖5-15所示的脈沖序列，用單片機(jī)對脈沖序列進(jìn)行計(jì)數(shù)，將該數(shù)值除以對應(yīng)的時(shí)間就可以求的電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。單片機(jī)完成每次的速度檢測后通過串口把速度數(shù)據(jù)發(fā)送給主控微處理器。圖4-1

50、4光電碼盤測速模塊電路圖卡卡玉卡FH圖4-15二值化紅外傳感器測速信號3.1.5 傾角檢測模塊MEMS傳感器是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來的新型傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)7。本系統(tǒng)中采用了MEMS類型的加速傳感器和陀螺儀兩個(gè)傳感器構(gòu)成，以下是對它們的詳細(xì)介紹：1.加速度傳感器Freescal公司的MMA8451Q是14位/8位智能低功耗三軸數(shù)字加速度計(jì)，工作電壓1.95V-3.6V,接口電壓1.6V-3.6V,動(dòng)態(tài)可選擇滿刻度為及g/Mg/2g,輸出數(shù)據(jù)速率(ODR)從1.56Hz到800Hz,噪

51、音為99ug/，Hz,1附和8位數(shù)字輸出,MMA8451使用I2C串行通信和外部交換數(shù)據(jù),由于MMA7260加速度傳感器可準(zhǔn)確測量三軸向下降、傾斜、移動(dòng)、定位、撞擊和震動(dòng)，因此主要用在電子羅盤，靜態(tài)姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)檢測，筆記本電子書等便攜設(shè)備的翻滾、自由落體檢測，實(shí)時(shí)的方向檢測可用于虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備或3d游戲中的位置檢測，便攜設(shè)備的節(jié)能應(yīng)用中的運(yùn)動(dòng)檢測等等。表5-1引腳定義如下：引腳編號引腳名稱引腳描述引腳狀態(tài)1VDDIO內(nèi)部電源供電(1.623.6v)輸入2BYP旁路電容輸入3NC懸空引腳開路4SCLI2C串行時(shí)鐘漏極開路5GND接地輸入6SDAI2C串行數(shù)據(jù)漏極開路7SA0FI2C最低有效位地址輸入

52、8NC懸空引腳開路9INT2中斷請求引腳2輸出10GND接地輸入11INT1中斷請求引腳1輸出12GND接地輸入13NC懸空引腳開路14VDD電源(1.953.6v)輸入15NC懸空引腳開路16NC懸空引腳開路MMA8451Q有四種可選加速度范圍，分別對應(yīng)不同的靈敏度，以適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境和系統(tǒng)要求，配置參數(shù)表5-2所示。設(shè)置方法通過IIC總線接口想XYZ數(shù)據(jù)設(shè)置寄存器XYZ_DATA_CFG寫入相應(yīng)的值。MMA8451Q的寫操作器件地址為0011100,讀操作器件地址為0011101。表5-2MMA8451Q模式配置參數(shù):FS1FS0；量程002g014g108g11保留2.陀螺儀ENC-0

53、3RC,是日本村田公司(murata)開發(fā)生產(chǎn)的一款以陶瓷材料為主要原料的角速度傳感器，又名陀螺儀，該產(chǎn)品是一種應(yīng)用科氏力原理的角速度傳感器，它輸出一個(gè)和角速度成正比的模擬電壓信號芯片特性：1）供電電壓：2.75.25V2）最大角速度deg./sec.+/-3003）輸出（當(dāng)角速度=0）:1.35V4）比例系數(shù)：0.67mV/deg./sec5）線性度:+/-5%FS6）響應(yīng)頻率：50Hz7）重量:0.4g如圖5-17所示，左側(cè)的三個(gè)為ENC-03RC,其輸出的角速度信號經(jīng)過濾波和放大后被引到了模塊的輸出引腳上，由主控模塊對此信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字化的加速度值，對角速度積分就可以求取角度。

54、右側(cè)的為電源穩(wěn)壓電路和AMM4851Q加速度傳感器。AMM4851Q加速度傳感器是數(shù)字接口器件，可以通過IIC總線協(xié)議設(shè)置AMM4851Q的工作模式和讀取角度值。圖5-17加速度傳感器和陀螺儀構(gòu)成的傾角檢測模塊電路原理圖3.1.6 人機(jī)交互模塊HWPl. ATI PI I TT-EKK4PLJKJ 皿PL3K-.1AD2玩Xa£UMJ切g(shù)也，皿Pl d.lUSDM.S AD?PI. 7.3£XK'Ji MMR3TM5AD-TO Q RAD耳 VWK.LTaDALE1XROO-M2 on?P"BJtTP1FL5MATE'虹"UK-iLTlS

55、U AUpj a witpixuji./.iiDd. ALi.花ELJntALU* KT3再 I MQ?2 i? AS第 M尋二 c: 上l Kl:噎±上：+=F¥圖5-18人機(jī)交互模塊原理圖如圖5-18所示，人機(jī)交互模塊由STC12C5A60S2單片機(jī)、Nokia5110液晶、矩陣鍵盤構(gòu)成。Nokia5110液晶用于顯示系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，如當(dāng)前時(shí)間、速度、傾角、電量等信息；矩陣鍵盤用于時(shí)間等用戶初始化信息的調(diào)整。用戶輸入信息先有單片機(jī)緩存，在用戶確定之后通過串口發(fā)送給主控模塊STM32;液晶屏顯示的數(shù)據(jù)是STM32通過串口發(fā)送給單片機(jī)的。單片機(jī)完成了液晶屏的驅(qū)動(dòng)14、矩陣鍵

56、盤的掃描，這樣不會(huì)消耗主處理器的資源，減輕了主控制器的程序設(shè)計(jì)難度。3.1.7 通信模塊本系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)方案，將整個(gè)單軸雙輪自平衡小車自頂向下的劃分為主控器STM32模塊，人機(jī)交互模塊，陀螺儀模塊、加速度傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、光電碼盤測速模塊。主控模塊采用了STM32微處理器，其他的模塊都采用宏晶公司的51內(nèi)核的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)通信協(xié)議的時(shí)候?yàn)榱朔奖闫鹨?，加速度傳感器和STM32主控板之間的通信采用了IIC通信協(xié)議?？紤]到本系統(tǒng)使用的宏晶公司的51內(nèi)核單片機(jī)基本上都有硬件串口，而且STM32有5個(gè)USART所以人機(jī)交互模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng),g塊、光電碼盤測速模塊與STM32主控模塊之間的數(shù)據(jù)交換全部采用串口通信方式進(jìn)行，波特率設(shè)置為9600,數(shù)據(jù)位為8位，無奇偶校驗(yàn)。3.2 軟件設(shè)計(jì)方案軟件部分也采用模塊化設(shè)計(jì)方法，先在各個(gè)硬件模塊上完成相應(yīng)功能的程序模塊的設(shè)計(jì)，之后再添加通信模塊，并將各子模塊掛在STM32上進(jìn)行聯(lián)調(diào)。人機(jī)交互模塊，光電碼盤測速模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊所使用的微控制器都是STC12C5A60S2單片機(jī)，主要就是驅(qū)動(dòng)一些常用的外部設(shè)備,所以編程相對來說比