單片機(jī)控制單軸雙輪自動(dòng)平衡小車設(shè)計(jì)開題報(bào)告

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告題目:單片機(jī)控制單軸雙輪自動(dòng)平衡小車設(shè)計(jì)系別：電氣工程系專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：學(xué)號(hào)學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：2016年3月中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告論文（設(shè)計(jì)）題目單片機(jī)控制單軸雙輪自動(dòng)平衡小車姓名系別電氣工程系班業(yè)電氣121學(xué)號(hào)61選題目的和意義：平衡車是個(gè)不穩(wěn)定、強(qiáng)耦合、非線性系統(tǒng)，對(duì)平衡車的研究有利于我們更熟練得運(yùn)用自動(dòng)控制理論，并且發(fā)展更可靠穩(wěn)定的控制方法。在實(shí)際應(yīng)用中，平衡車由于體積小,靈活方便，不管是在軍用或者民用領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用空間，兩輪自平衡小車可以作為一種小范圍的移動(dòng)式服務(wù)平臺(tái)。通過本課題的研究學(xué)習(xí)，會(huì)使自己更加了解單片機(jī)，熟悉

2、電子電路，提升自己的對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)的把握，更透徹的掌握自動(dòng)控制方法。2本選題在國(guó)內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢(shì)：國(guó)外方面:JOE是瑞士研制的用DSP和FPGA控制并基于倒立擺理論雙輪車。通過傾斜傳感器和傾角傳感器來檢測(cè)車體。通過電機(jī)上的編碼盤檢測(cè)電機(jī)的速度。采用了基于狀態(tài)反饋的線性控制策略，車的運(yùn)動(dòng)被分解成直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，然后分析直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，得到電機(jī)需要的控制量，最終把控制量耦合疊加。他主要的設(shè)計(jì)思想依然是：使車子朝車體傾斜的方向運(yùn)動(dòng)來保持車身的平衡。主控芯片是HC11微處理器，此處理器是DavidP.Anderson專門的針對(duì)nBot車設(shè)計(jì)的。傳感器在得到車的車身信息后，再比例整合，當(dāng)作模糊控

3、制器的輸入，按照之前設(shè)定的控制原則得到兩個(gè)電機(jī)需要的PWM電壓。該控制只能能讓小車平衡運(yùn)動(dòng)，而不能讓小車自主直立。Segway擁有更多的姿態(tài)傳感器，它有5個(gè)陀螺儀傳感器，然而事實(shí)是檢測(cè)車身前傾斜只需要3個(gè)傳感器就夠了，其他的兩個(gè)傳感器只是增加安全性。傳感器的信息會(huì)被傳送到一個(gè)電路板，這個(gè)電路板是微處理器的集群，效率是個(gè)人電腦的三倍。這個(gè)集群是為了保證本載人平衡車在其中任何一個(gè)處理器出現(xiàn)問題時(shí)能報(bào)告錯(cuò)誤，給駕駛者以處理問題的時(shí)間余量，保證了平衡車的安全性。國(guó)內(nèi)方面：哈工大尹亮制作的雙輪移動(dòng)車Sway，車身傾斜度米用AD推出的雙軸加速度傳感器ADXL202及反射式紅外線距離傳感器來獲得?；赑WM

4、動(dòng)態(tài)控制直流電機(jī)的速度。車與上位機(jī)間的數(shù)據(jù)通信使用PTR2000超小型超低功耗高速無線收發(fā)數(shù)傳MODEM。人機(jī)交互界面使用圖形液晶點(diǎn)陣、方向搖桿、按鍵。依靠這些可靠并且完備的硬件，使用獨(dú)特的軟件算法，最終實(shí)現(xiàn)Sway的數(shù)據(jù)交換和平衡直立控制。上海交通大學(xué)的孔祥宣于2007年研制了一輛自主式雙輪動(dòng)態(tài)平衡移動(dòng)機(jī)器人，。它由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)兩個(gè)部分。機(jī)械部分包括：兩輪、減速機(jī)構(gòu)、底盤、高速轉(zhuǎn)子、本體、框架等,負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)功能、承載硬件電路、搭建工作平臺(tái)；控制系統(tǒng)部分包括：電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、傳感器。機(jī)器人的控制器采用DSP與CPLD高度集成的SoB(SystemonBoard)系統(tǒng)，雙輪動(dòng)態(tài)平衡

5、車的特點(diǎn)是有一個(gè)高速自轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。發(fā)展趨勢(shì)：平衡車正在朝著越來越智能化的方向的發(fā)展，已經(jīng)提出了眾多的解決平衡控制的方案。未來平衡車必將越來越小巧輕便，配備更完善的人機(jī)交互介面。另外，兩輪自平衡車的應(yīng)用前景將會(huì)十分的廣泛，未來的目標(biāo)是制造出外形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，并且具有穩(wěn)定自平衡性能的平衡車，還能有方便的駕駛模式，必將方便大家的出行。3主要研究?jī)?nèi)容：小車的硬件設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)最終使用STM32F103C8T6，讀取mpu6050的數(shù)據(jù)時(shí)通過IIC接口，獲得小車的姿態(tài)，接下來的過程是主控芯片通過PID控制給電機(jī)輸出PWM控制信號(hào)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊芯片TB6612接受到PWM信號(hào)之后再完成對(duì)電機(jī)的控制i。另外，為了調(diào)試

6、方便，除了設(shè)計(jì)了上述給模塊外，還擴(kuò)展了JLINK接口，使用的是SWD模式，用于仿真調(diào)試。因?yàn)樾枰涗洈?shù)據(jù)和繪出數(shù)據(jù)波形，查看濾波和PID效果。所以擴(kuò)展了串口電路?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)：整個(gè)控制過程分為以下幾步，第一步，主控芯片STM32首先采集姿態(tài)傳感器MPU6050的數(shù)據(jù)，經(jīng)過卡爾曼濾波，就得到了車身的姿態(tài)信息，第二步，根據(jù)此角度做PID調(diào)節(jié)，得到小車兩個(gè)電機(jī)的PWM脈寬，再調(diào)整輪子速度，使它的俯仰角為零。之后就是重復(fù)采集、處理、調(diào)節(jié)、處理這一過程。然后，在這個(gè)基礎(chǔ)上，給兩電機(jī)加PWM值，就會(huì)實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)，倒退。軟件設(shè)計(jì)流程是：首先單片機(jī)初始化，在獲取車身姿態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過卡爾曼ii融合算法，PID

7、控制完成小車直立速度控制。主要算法：PID控制算法：這里首先形象的分別說明一下P、I、D控制的區(qū)別，以利于我們建立起感性認(rèn)識(shí)P為比例控制，使以最快的速度達(dá)到目標(biāo)。I為積分控制，使誤差為0而起調(diào)和作用。D為微分控制，可以加快調(diào)節(jié)進(jìn)程。PID控制算法是應(yīng)用最為普遍的一種算法，其特點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，應(yīng)用有效及具備了許多成熟的穩(wěn)定性分析的方法，有很高的可靠性。針對(duì)兩輪自平衡小車的非線性和不穩(wěn)定性，利用非線性PD控制算法和PID差動(dòng)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)小車的平衡控制和運(yùn)動(dòng)控制；卡爾曼濾波：姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)中的重點(diǎn)必然又是卡爾曼濾波。為了方便調(diào)試，小車經(jīng)串口向PC機(jī)發(fā)濾波前后傾角數(shù)據(jù)，通離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)描繪可以直接對(duì)比濾波效

8、果?？柭鼮V波整定參數(shù)有：卡爾曼增益、加速度計(jì)和陀螺儀權(quán)值。經(jīng)過濾波之后，含有噪聲的波形變得平穩(wěn)。4完成論文的條件、方法及措施，包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、調(diào)研計(jì)劃、資料收集、參考文獻(xiàn)等內(nèi)容:條件方法和措施：小車的最初設(shè)計(jì)方案比較；設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖;對(duì)小車單片機(jī)最小系統(tǒng)STM32進(jìn)行最初的使用練習(xí)，例如簡(jiǎn)單地點(diǎn)亮LED燈、定時(shí)器初始化、數(shù)碼管顯示等；進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的整體工作原理的細(xì)致分析，建立設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)總體方案，硬件工作原理分析，各元器件引腳功能資料收集，主程序設(shè)計(jì)；學(xué)習(xí)本設(shè)計(jì)涉及到的主要算法包括PID控制算法；卡爾曼濾波，可以參考原來已有的單片機(jī)控制單軸雙輪自動(dòng)平衡小車PID參數(shù)設(shè)定方法和經(jīng)

9、驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：整個(gè)設(shè)計(jì)流程以STM32單片機(jī)為核心，選用了與該主控芯片相融和的其他幾個(gè)必要的模塊。姿態(tài)傳感器模塊電路測(cè)算小車車身姿態(tài)信息、并把信息提供給主控芯片STM32。主控芯片STM32是整個(gè)小車模型的大腦，在接收到小車車身信息之后，與預(yù)先設(shè)定車身平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計(jì)算出小車需要調(diào)整的余量，轉(zhuǎn)化成PWMiii控制信號(hào)，輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊在接收到PWM信號(hào)之后再完成對(duì)電機(jī)的控制，電機(jī)上的編碼器測(cè)速模塊采集到電機(jī)速度信息，再把信息反饋給主控芯片STM32。重復(fù)這樣一個(gè)過程，完成車模的直立平衡控制、直立運(yùn)動(dòng)控制iv，依靠藍(lán)牙模塊發(fā)送對(duì)整個(gè)小車的運(yùn)動(dòng)控制命令。選用基于ARM的ST

10、M32F10X系列單片機(jī)，這是一系列功能更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)的主控芯片，必將會(huì)為之后平衡車的功能拓展提供方便。整個(gè)設(shè)計(jì)采用模塊化的思想，這也正好切合了設(shè)計(jì)之初的想法，為實(shí)現(xiàn)小車更多功能的擴(kuò)展提供方便。隨著課題研究的深入，還會(huì)遇到更多更大的困難，在將來的學(xué)習(xí)中，帶著這些問題和困難查閱各種資料，并向有經(jīng)驗(yàn)的老師和同學(xué)求教，爭(zhēng)取早日解決，以更好的完成對(duì)本課題的設(shè)計(jì)工作。調(diào)研計(jì)劃：第1-2周：文獻(xiàn)查找，主要是建立平衡車系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的雛形；第3-5周;確定主要硬件電路各部件的選型，以及總體方案的設(shè)計(jì)；第6-8周：硬件電路設(shè)計(jì)及部分電路制作；第9-11周：編寫系統(tǒng)控制程序及進(jìn)行初步的系統(tǒng)調(diào)試；第1

11、2-15周：總結(jié)整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的不足之處，完成設(shè)計(jì)報(bào)告。參考文獻(xiàn)1 王曉宇.兩輪自平衡機(jī)器人的研究D.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),20072 GoogolTechnologyLTD.GoogolTechnologySelf-BalancingRobotGBOT1001UserManualV1.0CD.20073 Tony,Liao,Deog.VariableStruetureControlforStabilizingDoubleInvertedPendulumC.2008InternationalConferenceonIntelligentComputationTechnologyandAuto

12、mation,California,US,20014 陳國(guó)文基于STM32單片機(jī)的雙輪小車近靜態(tài)動(dòng)平衡控制統(tǒng)D.閩南師范大學(xué)畢業(yè)論文設(shè)計(jì).20145 阮毅，陳伯時(shí).電力拖自動(dòng)控制系統(tǒng)M.清華大學(xué)出版社.20036 爾桂花，竇曰軒.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)M.清華大學(xué)出版社.20027 劉金琨智能控制M.北京：電子工業(yè)出版社.20058 梅曉榕.自動(dòng)控制元件及線路M.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.20049 Jey,Tiga.DesignofFuzzyLogicControllerforTwo-wheeledSelf-balancingRobotC.6thInternationalForumonStrategicT

13、echnology,IFOST2011,Newyork,US,2011:12661270.200810 高玉培輪式移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)J.南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào).201411 張培仁基于16/32位處理器機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)M.北京:清華大學(xué)出版社，200612 屠運(yùn)武，徐俊艷，張培仁.自平衡控制系統(tǒng)的建模與仿真J.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).200413 劉斌.兩輪自平衡小車軟硬件研發(fā)與基于模糊線性化模型的變結(jié)構(gòu)控制研究西安電子科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文.200914 付夢(mèng)印,鄧志紅,張繼偉.Kalman濾波理論及其在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用M.第二版北京:科學(xué)出版社,201015 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)M.北京:清華大學(xué)出版社,200516 李春文，馮元坤，多變量非線性控制的你系統(tǒng)方法M