兩輪自平衡小車的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目?jī)奢喿云胶庑≤嚨脑O(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教 師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 盡我所知，除文中特別加 以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研 究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體， 均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作者簽名： 日期：指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電 子版

2、本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供 目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制 手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠?或全部?jī)?nèi)容。作者簽名： 日 期：學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外， 本論文 不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。 對(duì)本文的研 究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完 全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名：日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、

3、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位 論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索， 可以采用影印、縮 印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名:日期： 年 月注意事項(xiàng)1.設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞5）目次頁(yè)（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致謝9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)）.論文字?jǐn)?shù)要求：理

4、工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于1萬(wàn)字（不包括圖紙、 程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于 1.2萬(wàn)字。.附件包括：任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。.文字、圖表要求：1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯(cuò) 別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所 有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔， 布局合理，文字注釋必須使用工程 字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁(yè)以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁(yè)面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔.裝訂順序）設(shè)計(jì)（論文）附件：按照任務(wù)

5、書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝指導(dǎo)教師評(píng)閱書指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)：一、撰寫（設(shè)計(jì)）過程、學(xué)生在論文（設(shè)計(jì)）過程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神優(yōu) 良 中 及格 不及格2、學(xué)生掌握專業(yè)知識(shí)、技能的扎實(shí)程度優(yōu)良中及格不及格3、學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和專業(yè)技能分析和解決問題的能力優(yōu)良中及格不及格4、研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計(jì)方案的合理性優(yōu)良中及格不及格5、完成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）期間的出勤情況優(yōu)良中及格不及格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？?jī)?yōu)良中及格不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？?jī)?yōu)良中及格不及格三、論文（設(shè)計(jì)）水平、論文（設(shè)計(jì)）的理

6、論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？?jī)?yōu)良中及格不及格3、論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平優(yōu)良中及格不及格建議成績(jī)：口優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級(jí)前的口內(nèi)畫）指導(dǎo)教師：（簽名）單位：（蓋章）年 月 日評(píng)閱教師評(píng)閱書評(píng)閱教師評(píng)價(jià)：一、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？?jī)?yōu)良中及格不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？?jī)?yōu)良中及格不及格二、論文（設(shè)計(jì)）水平、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？?jī)?yōu)良中及格不及格

7、3、論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平優(yōu)良中及格不及格建議成績(jī)：口優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級(jí)前的口內(nèi)畫）評(píng)閱教師：（簽名）單位：（蓋章）年 月 日教研室（或答辯小組）及教學(xué)系意見教研室（或答辯小組）評(píng)價(jià):一、答辯過程、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的基本要點(diǎn)和見解的敘述情況優(yōu) 良 中 及格 不及格2、對(duì)答辯問題的反應(yīng)、理解、表達(dá)情況優(yōu)良中及格不及格3、學(xué)生答辯過程中的精神狀態(tài)優(yōu)良中及格不及格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？?jī)?yōu)良中及格不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？?jī)?yōu)良中及格不及格三、論文（設(shè)計(jì)）水平、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的

8、指導(dǎo)意義優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？?jī)?yōu)良中及格不及格3、論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平優(yōu)良中及格不及格評(píng)定成績(jī)：口優(yōu) 口良及格 不及格教研室主任（或答辯小組組長(zhǎng)）：（簽名）年 月 日教學(xué)系意見:系主任：（簽名）年 月 日摘要近年來，兩輪自平衡車的研究與應(yīng)用獲得了迅猛發(fā)展。本文提出了一種兩輪自平衡小車的設(shè)計(jì)方案，采用陀螺儀 ENC-03以及MEMS加速度傳感器MMA7260構(gòu)成小車姿態(tài)檢測(cè)裝置，使用卡爾曼濾波完成陀螺儀數(shù)據(jù)與加速度計(jì)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)融合。系統(tǒng)選用飛思卡爾16位單片機(jī)MC9s12XS128為控制核心，完成了傳感器信號(hào)的處理，濾波算法的實(shí)現(xiàn)及車身控

9、 制，人機(jī)交互等。整個(gè)系統(tǒng)制作完成后，各個(gè)模塊能夠正常并協(xié)調(diào)工作，小車可以在無人干預(yù)條件下實(shí) 現(xiàn)自主平衡。同時(shí)在引入適量干擾情況下小車能夠自主調(diào)整并迅速恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。小車還 可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，后退，左右轉(zhuǎn)等基本動(dòng)作。關(guān)鍵詞：兩輪自平衡 陀螺儀 姿態(tài)檢測(cè) 卡爾曼濾波 數(shù)據(jù)融合IIDesign of Two-Wheel Self-Balance VehicleAbstractIn recent years, the research and application of two-wheel self-balanced vehicle have obtained rapid development. T

10、his paper presents a design scheme of two-wheel self-balanced vehicle. Gyroscope ENC-03 and MEMS accelerometer MMA7260 constitute vehicle posture detection device. System adopts Kalman filter to complete the gyroscope data and accelerometer data fusion., and adopts freescale16-bit microcontroller-MC

11、9s12XS128 as controller core. The center controller realizes the sensor signal processing the sensor signal processing, filtering algorithm and body control, human-machine interaction and so on.Upon completion of the entire system, each module can be normal and to coordinate work. The vehicle can ke

12、ep balancing in unmanned condition. At the same time, the vehicle can be adjusted independently then quickly restore stability when there is a moderate amount of interference. In addition, the vehicle also can achieve forward, backward, left and right turn and other basic movements.Key Words: Two-Wh

13、eel Self-Balance; Gyroscope; Gesture detection; Kalman filter; Data fusioniii TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark30 o Current Document .緒論 1 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 研究背景與意義 1 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 兩輪自平衡車的關(guān)鍵技術(shù) 2系統(tǒng)設(shè)計(jì)2數(shù)學(xué)建模2 HYPERLINK l bookmark87 o Current Document

14、姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng) 2控制算法3 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 本文主要研究目標(biāo)與內(nèi)容 3 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 論文章節(jié)安排 3 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document .系統(tǒng)原理分析 5 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 控制系統(tǒng)要求分析 5 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 平衡控制原理分析 5 HYPERLINK l bookmark4

15、6 o Current Document 自平衡小車數(shù)學(xué)模型 6兩輪自平衡小車受力分析 6自平衡小車運(yùn)動(dòng)微分方程 9 HYPERLINK l bookmark77 o Current Document PID控制器設(shè)計(jì) 10PID控制器原理 10PID控制器設(shè)計(jì) 11姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)12陀螺儀12加速度計(jì)13基于卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)融合 14 HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 本章小結(jié) 16 HYPERLINK l bookmark91 o Current Document .系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 17 HYPERLINK l bookmark93 o C

16、urrent Document MC9SXS128單片機(jī)介紹 17 HYPERLINK l bookmark95 o Current Document 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 HYPERLINK l bookmark97 o Current Document 電源管理模塊設(shè)計(jì) 21 HYPERLINK l bookmark99 o Current Document 傾角傳感器信號(hào)調(diào)理電路 22IV TOC o 1-5 h z 加速度計(jì)電路設(shè)計(jì) 22陀螺儀放大電路設(shè)計(jì) 22 HYPERLINK l bookmark101 o Current Document 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 23驅(qū)動(dòng)芯片介紹

17、24驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 24 HYPERLINK l bookmark103 o Current Document 速度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì) 25編碼器介紹25編碼器電路設(shè)計(jì) 26 HYPERLINK l bookmark108 o Current Document 輔助調(diào)試電路 27 HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 本章小結(jié) 27 HYPERLINK l bookmark112 o Current Document .系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 28 HYPERLINK l bookmark114 o Current Document 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 28 HYP

18、ERLINK l bookmark116 o Current Document 單片機(jī)初始化軟件設(shè)計(jì) 28鎖相環(huán)初始化28模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ATD）初始化 29串行通信模塊（SCI）初始化設(shè)置 30測(cè)速模塊初始化31PWM模塊初始化 32 HYPERLINK l bookmark120 o Current Document 姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 32陀螺儀與加速度計(jì)輸出值轉(zhuǎn)換 32卡爾曼濾波器的軟件實(shí)現(xiàn) 34 HYPERLINK l bookmark130 o Current Document 平衡PID控制軟件實(shí)現(xiàn) 36 HYPERLINK l bookmark132 o Current Doc

19、ument 兩輪自平衡車的運(yùn)動(dòng)控制 37本章小結(jié) 39.系統(tǒng)調(diào)試 40系統(tǒng)調(diào)試工具40系統(tǒng)硬件電路調(diào)試 40姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)調(diào)試 41控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定 43兩輪自平衡小車動(dòng)態(tài)調(diào)試 44本章小結(jié) 45 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document .總結(jié)與展望46總結(jié) 46展望 46參考文獻(xiàn) 47附 錄 48附錄一系統(tǒng)電路原理圖 48附錄二系統(tǒng)核心源代碼49致謝 1VI常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）論研究背景與意義近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，移動(dòng)機(jī)器人的研究不斷深入，成為目前科 學(xué)研究最活躍的領(lǐng)域之一，移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用范圍越來越廣泛，面臨的環(huán)境和任務(wù)也

20、 越來越復(fù)雜，這就要求移動(dòng)機(jī)器人必須能夠適應(yīng)一些復(fù)雜的環(huán)境和任務(wù)。比如，戶外 移動(dòng)機(jī)器人需要在凹凸不平的地面上行走，有時(shí)環(huán)境中能夠允許機(jī)器人運(yùn)行的地方比 較狹窄等。如何解決機(jī)器人在這些環(huán)境中運(yùn)行的問題，逐漸成為研究者關(guān)心的問題。兩輪自平衡機(jī)器人的概念正是在這樣一個(gè)背景下提出來的，這種機(jī)器人區(qū)別于其 他移動(dòng)機(jī)器人的最顯著的特點(diǎn)是： 采用了兩輪共軸、各自獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的工作方式（這種驅(qū) 動(dòng)方式又被稱為差分式驅(qū)動(dòng)方式），車身的重心位于車輪軸的上方，通過輪子的前后移 動(dòng)來保持車身的平衡，并且還能夠在直立平衡的情況下行駛。由于特殊的結(jié)構(gòu)，其適 應(yīng)地形變化能力強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)靈活，可以勝任一些復(fù)雜環(huán)境里的工作。兩輪自平

21、衡機(jī)器人自面世以來，一直受到世界各國(guó)機(jī)器人愛好者和研究者的關(guān) 注，這不僅是因?yàn)閮奢喿云胶鈾C(jī)器人具有獨(dú)特的外形和結(jié)構(gòu)，更重要的是因?yàn)槠渥陨?的本質(zhì)不穩(wěn)定性和非線性使它成為很好的驗(yàn)證控制理論和控制方法的平臺(tái)，具有很高 的研究?jī)r(jià)值。早在1987年，日本電信大學(xué)教授山藤一雄就提出了兩輪自平衡機(jī)器人的概念。這個(gè)基本的概念就是用數(shù)字處理器來偵測(cè)平衡的改變，然后以平行的雙輪來保持機(jī)器的 平穩(wěn)12。本世紀(jì)初瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的 Joe、美國(guó)的SegwayN等兩輪自平衡機(jī)器人相繼問 世，世界各國(guó)越來越多的機(jī)器人愛好者和研究者開始關(guān)注兩輪自平衡機(jī)器人。美國(guó)發(fā) 明家狄恩？卡門與他的DEKA研發(fā)公司研發(fā)出了可以用于載人

22、的兩輪自平衡車命名為 賽格威，并已投入市場(chǎng)。由于兩輪自平衡車有著活動(dòng)靈便，環(huán)境無害等優(yōu)點(diǎn)，具被廣 泛應(yīng)用于各類高規(guī)格社會(huì)活動(dòng)，目前該車已用于奧運(yùn)會(huì)以及世博會(huì)等大型場(chǎng)合。當(dāng)今唯一市場(chǎng)化的兩輪自平衡電動(dòng)車，如圖 1-1所示，在2002年上市以來就備受 各界的關(guān)注。卡門觀察人類走路的姿勢(shì)特性，領(lǐng)悟到其實(shí)人類之所以可以平穩(wěn)地直立 行走，是因?yàn)轶w內(nèi)靈敏的平衡器官可以精確地判斷出身體重心的改變量，透過小腦的 即時(shí)反應(yīng)，然后利用腿部的肌肉即時(shí)出力來平衡傾倒的態(tài)勢(shì)。所以當(dāng)人類的身體前傾 時(shí)，這種不自主的反應(yīng)會(huì)促使人類伸出其中的一只腳往前走來平衡身體，所以透過這 種前傾、往前踏腳、前傾、往前踏腳的動(dòng)作循環(huán)，即構(gòu)

23、成了 “步行”這種動(dòng)作。因此常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）卡門嘗試使用精密的陀螺儀來代替人類的前庭與耳蝸等平衡器官，以電動(dòng)馬達(dá)與車輪 代替人類的雙腳，發(fā)展出所謂的“動(dòng)態(tài)穩(wěn)定概念3。圖1-1 Segway兩輪自平衡車兩輪自平衡車的關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩輪自平衡車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括：車身機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上保持小車重心的穩(wěn)定性，才能減少控制系統(tǒng)由于車身機(jī)械結(jié)構(gòu)的不合理性而 造成的控制復(fù)雜化；硬件系統(tǒng)必須包含自平衡車所需的所有電子系統(tǒng)與電氣設(shè)備；軟件系 統(tǒng)則具體負(fù)責(zé)車身平衡控制。數(shù)學(xué)建模系統(tǒng)模型的建立，有助于控制器設(shè)計(jì)，以及控制系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的確定。系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 建立的重點(diǎn)在于

24、動(dòng)力學(xué)方面，主要采用拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程以及牛頓力學(xué)定律的方法。然 而通常的動(dòng)力學(xué)建模方法沒有考慮電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，車身震動(dòng)對(duì)模型的影響。并且兩輪子平衡車 是本質(zhì)不穩(wěn)定的非線性系統(tǒng)，因此建模必須考慮線性化問題。姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)兩輪子平衡車通過姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)來實(shí)時(shí)檢測(cè)車身姿態(tài)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并根據(jù)姿態(tài)信息對(duì) 小車進(jìn)行控制。因此，對(duì)于兩輪自平衡車來說，能夠精確并穩(wěn)定的檢測(cè)當(dāng)前車身傾角，是 實(shí)現(xiàn)有效控制的關(guān)鍵所在。目前有多重技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傾角檢測(cè)，但是實(shí)時(shí)性，經(jīng)濟(jì)性還不 夠理想。采用MEMS（Micro-Electro-Mechanical System,微機(jī)電系統(tǒng)）陀螺儀和加速度計(jì)等 慣性傳感器構(gòu)成的姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)

25、時(shí)、準(zhǔn)確的檢測(cè)兩輪自平衡車的傾角。但是由于慣 性傳感器自身固有特性，隨著溫度，震動(dòng)等外界變化，會(huì)產(chǎn)生不同程度的漂移與噪聲，因常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)此必須使用一些濾波算法，對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，使測(cè)量角度更加真 實(shí)穩(wěn)定。控制算法兩輪自平衡車屬于本質(zhì)不穩(wěn)定系統(tǒng)，因此其實(shí)現(xiàn)的平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡。在遇到外界 干擾如何快速恢復(fù)，保持自平衡等問題是控制算法需要考慮的問題。傳統(tǒng)的PID控制在各類工業(yè)場(chǎng)合有著廣泛的應(yīng)用，完全可以滿足兩輪自平衡車的控制系統(tǒng)要求。當(dāng)然，也可以 采用各類先進(jìn)的控制算法，諸如基于狀態(tài)空間的 LQR (最優(yōu)控制)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 等4。本文主要研究目標(biāo)與內(nèi)容本

26、課題設(shè)計(jì)了一款兩輪自平衡小車，研究了車身姿態(tài)檢測(cè)中陀螺儀與加速度傳感器的 互補(bǔ)特性，并根據(jù)其特性比較并設(shè)計(jì)濾波算法，包括卡爾曼濾波，互補(bǔ)濾波等常用濾波算 法。PID控制算法的實(shí)現(xiàn)以及直流電機(jī)調(diào)速的研究。具體包括：(1)機(jī)器人本體設(shè)計(jì)：包括機(jī)械，重心調(diào)整，電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，為進(jìn)一步研究提供良 好的平臺(tái)；(2)信號(hào)調(diào)理及控制部分電路設(shè)計(jì)：陀螺儀輸出信號(hào)需要經(jīng)過進(jìn)一步濾波放大，因此 需要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路，同時(shí)控制核心需要構(gòu)建相關(guān)輸入輸出模塊及人際交互設(shè)備，因此 需要對(duì)主控單元電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)還需要設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。(3)基于卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)融合：由于陀螺儀測(cè)量的角速度只在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定而加速 度傳

27、感器的自身白噪聲很嚴(yán)重，因此根據(jù)其互補(bǔ)特性設(shè)計(jì)卡爾曼濾波器以得到準(zhǔn)確穩(wěn)定的 角度和角速度。PID控制算法：包括兩路閉環(huán)控制。小車的傾角閉環(huán)控制以及直流電機(jī)的閉環(huán)速度 控制。論文章節(jié)安排第一章：緒論，介紹兩輪自平衡車的發(fā)展歷史、研究方向及應(yīng)用前景，然后闡述課題 的研究目標(biāo)及主要內(nèi)容。第二章：系統(tǒng)原理闡述與分析，對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模，分析陀螺儀與加速度計(jì)的特 性并對(duì)濾波算法進(jìn)行闡述，介紹 PID控制器的設(shè)計(jì)。第三章：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，介紹兩輪子平衡車硬件系統(tǒng)的組成與設(shè)計(jì)，主要介紹單片機(jī) 最小系統(tǒng)、陀螺儀信號(hào)放大電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等。第四章：系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，介紹單片機(jī)初始化，濾波算法及控制算法，闡述各模塊

28、軟件常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）設(shè)計(jì)方法。第五章：系統(tǒng)調(diào)試，介紹濾波算法的效果與參數(shù)調(diào)整方法，PID參數(shù)整定、電機(jī)、編碼器等模塊的調(diào)試效果，對(duì)調(diào)試結(jié)果進(jìn)行分析。第六章：總結(jié)與展望，總結(jié)本設(shè)計(jì)各模塊，并對(duì)兩輪自平衡小車的優(yōu)化方向進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述。常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)統(tǒng)原理分析控制系統(tǒng)要求分析根據(jù)系統(tǒng)要求，小車必須要能夠在無外界干預(yù)下依靠一對(duì)平行的車輪保持平衡，并完 成前進(jìn)，后退，左右轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。分析系統(tǒng)要求可知，保持小車直立和運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力都來自 于小車的兩只車輪，車輪由兩只直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。因此，從控制角度來看，可以將小車作為 一個(gè)控制對(duì)象，控制輸入量是兩個(gè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。整個(gè)控制系統(tǒng)可以分為三

29、個(gè)子系統(tǒng)：(1)小車平衡控制：以小車傾角為輸入量，通過控制兩個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)保持小車衡。(2)小車速度控制：在保持平衡的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)小車傾角實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的控制，實(shí)際 上還是演變?yōu)閷?duì)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)小車的速度控制。(3)小車方向控制：通過控制兩個(gè)電機(jī)間的轉(zhuǎn)速不同實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。小車直立和方向控制任務(wù)都是直接通過控制車模兩個(gè)后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成的，而速度控 制則是通過調(diào)節(jié)小車傾角完成的。小車不同的傾角會(huì)引起車模的加減速，從而達(dá)到對(duì)小車 速度的控制。三個(gè)子系統(tǒng)各自獨(dú)立進(jìn)行控制。由于最終都是對(duì)同一個(gè)控制對(duì)象(小車的電機(jī))進(jìn)行 控制，所以各個(gè)子系統(tǒng)之間存在著耦合。為了方便分析，在分析其中之一時(shí)，假設(shè)其它控 制對(duì)象都

30、已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定。比如在速度控制時(shí)，需要小車已經(jīng)能夠保持直立控制；在方向控 制時(shí)，需要小車能夠保持平衡和速度恒定；同樣，在小車平衡控制時(shí)，也需要速度和方向 控制已經(jīng)達(dá)到平穩(wěn)。這三個(gè)任務(wù)中保持小車平衡是關(guān)鍵。由于小車同時(shí)受到三種控制的影 響，從小車平衡控制的角度來看，其它兩個(gè)控制就成為干擾。因此對(duì)小車速度、方向的控 制應(yīng)該盡量保持平滑，以減少對(duì)平衡控制的干擾。以速度調(diào)節(jié)為例，需要通過改變車模平 衡控制中小車傾角設(shè)定值，從而改變車模實(shí)際傾斜角度，達(dá)到速度控制的要求。為了避免 影響車模平衡控制，這個(gè)車模傾角的改變需要非常緩慢的進(jìn)行。其中平衡控制是系統(tǒng)的最 基本要求，也是整個(gè)控制系統(tǒng)的難點(diǎn)。平衡控制原理分

31、析控制小車平衡的直觀經(jīng)驗(yàn)來自人類日常生活經(jīng)驗(yàn)。如人類身體擁有豐富的感知器官， 通過大腦調(diào)節(jié)便可以控制腰部及腿部肌肉保持人體的直立。而一般人通過簡(jiǎn)單訓(xùn)練就可以 讓一根直木棍在手指尖保持直立不倒。這需要兩個(gè)條件：一個(gè)是托著木棍的手指可以自由 移動(dòng)；另一個(gè)是人的眼睛可以觀察木棍的傾斜角度與傾斜趨勢(shì)(角速度)。這兩個(gè)條件缺一不可，實(shí)際上這就是控制系統(tǒng)中的負(fù)反饋機(jī)制，如圖 2-1所示。常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖2-1保持木棍直立的反饋控制系統(tǒng)自平衡車的控制也是通過負(fù)反饋來實(shí)現(xiàn)的，與在指尖保持木棍直立比較則相對(duì)簡(jiǎn)單。 由于小車只依靠?jī)蓚€(gè)車輪著地，車輪與地面會(huì)發(fā)生相對(duì)滾動(dòng)使得小車傾斜。而小車上裝載 的姿

32、態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)π≤嚨膬A斜狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過控制器控制車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，抵消在 這個(gè)維度上的傾斜力矩便可以保持小車平衡，如圖 2-2所示。前進(jìn)后仲）后退糾正后仰）前遴糾正前修）圖2-2通過車輪轉(zhuǎn)動(dòng)保持小車平衡自平衡小車數(shù)學(xué)模型兩輪自平衡小車受力分析為了準(zhǔn)確控制車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，保持小車始終穩(wěn)定的直立平衡，需要對(duì)自平衡車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué) 分析并建立其數(shù)學(xué)模型，從而更好的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。為了更加直觀的分析系統(tǒng)受力情況，下面將直立小車與單擺模型進(jìn)行對(duì)比說明小車的 受力情況。重力場(chǎng)中使用細(xì)線懸掛的重物經(jīng)抽象化便形成理想化的單擺模型，兩輪自平衡車可以 看作一級(jí)倒立擺模型進(jìn)行分析，如圖 2-3所示。常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文

33、）單擺模型m一級(jí)倒立擺模型圖2-3小車抽象為一級(jí)倒立擺模型對(duì)普通單擺進(jìn)行受力分析如圖2-4所示。圖2-4單擺受力分析當(dāng)物體離開平衡位置后便會(huì)受到重力與線的合作用力，驅(qū)使物體回復(fù)至平衡位置。這 個(gè)力稱為回復(fù)力，其大小為：F = -mg sin 日（式 2-1）在偏移角很小情況下，回復(fù)力與偏移角之間的大小成正比，方向相反。在此回復(fù)力的 作用下，單擺進(jìn)行周期運(yùn)動(dòng)。由于空氣阻力的存在，單擺最終會(huì)停止在平衡位置。空氣阻 尼力與單擺的速度成正比，方向相反。阻尼力越大，單擺會(huì)越快停止在平衡位置?？傻贸觯?單擺保持平衡的條件有兩點(diǎn)：（1）受到與偏移相反的回復(fù)力作用；（2）受到與運(yùn)動(dòng)速度相反的阻尼力作用。如果沒

34、有阻尼力，單擺會(huì)在平衡位置左右晃動(dòng)而無法停止。如果阻尼力過小（欠阻尼），常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）單擺會(huì)在平衡位置震蕩。阻尼力過大（過阻尼）則導(dǎo)致單擺恢復(fù)平衡時(shí)間加長(zhǎng)。因而存在一個(gè)臨界阻尼系數(shù)，使單擺穩(wěn)定在平衡位置所需時(shí)間最短。對(duì)靜止的一級(jí)倒立擺模型進(jìn)行受力分析 （不考慮車輪與地面的滾動(dòng)摩擦力），如圖2-5 所示。mg sin 二圖2-5 一級(jí)倒立擺模型受力分析圖由一級(jí)倒立擺模型靜止時(shí)的受力分析可知，其回復(fù)力大小為:（式 2-2）F = mgsin靜止的倒立擺之所以不能像單擺一樣可以穩(wěn)定在平衡位置，是因?yàn)樵谄x平衡位置時(shí) 所受回復(fù)力與其偏移方向相同，而不是相反，因此不能回復(fù)至平衡位置，而是加

35、速偏離垂 直位置直至傾倒。經(jīng)分析可知，要控制倒立擺使其能夠與單擺一樣能夠回復(fù)至平衡位置并保持穩(wěn)定有兩 種方案。一種是改變重力方向；另一種是在系統(tǒng)中增加另外一種力使合回復(fù)力與偏移方向 相反。顯然，只能通過第二種方法實(shí)現(xiàn)倒立擺的平衡，即在系統(tǒng)中額外增加一種力使合回 復(fù)力與偏移方向相反。根據(jù)牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律（即慣性定律），任何一個(gè)物體在不受外力或受平衡力的作用 時(shí)，總是保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直到有作用在其上面的外力迫使其改變這種 狀態(tài)為止。牛頓運(yùn)動(dòng)定律只在慣性參考系中成立。在非慣性參考系中，由于慣性的存在， 物體會(huì)受慣性力。通過控制倒立擺底部車輪，使其做加速運(yùn)動(dòng)。在此條件下再次分析倒立擺受

36、力情況， 如圖2-6所示。常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）由于車輪做加速運(yùn)動(dòng)，倒立擺會(huì)受額外的慣性力作用。假設(shè)車輪運(yùn)動(dòng)使倒立擺具有的加速度為a。選取地面為參考的慣性系，根據(jù)牛頓第二定律可知倒立擺受到的慣性力為：Fg=macos（式 2-3）這樣，倒立擺所受到的合回復(fù)力為：F = mgsin日-macos9（式 2-4）在平衡控制系統(tǒng)中，可控偏移角8較小，對(duì)其進(jìn)行線性化。假設(shè)控制系統(tǒng)中車輪加速度a與偏移角9成正比關(guān)系，比例系數(shù)為ki ,則式2-4可變換為：F = mg9 - me（式 2-5）若比例系數(shù)g （重力加速度），則倒立擺所受合回復(fù)力的方向即與偏移方向相反。這樣，倒立擺便可以回復(fù)平衡位置，但

37、是其調(diào)整時(shí)間過長(zhǎng)。為提高倒立擺調(diào)整時(shí)間，需要加入阻尼力。增加的阻尼力與偏移角速度成正比，方向相反，因此式（2-5）可變?yōu)椋篎 = mg9 mR日mk2H （式 2-6）這樣車輪需要提供的加速度即為：a = mki9 + mk29 （式 2-7）式中8為傾角，夕為傾角速度，ki、k2為比例系數(shù)。由式2-7可知，只有當(dāng)kig時(shí)， 倒立擺才能穩(wěn)定到垂直位置。k2為阻尼系數(shù)，合適的阻尼系數(shù)可以使倒立擺盡快回復(fù)至穩(wěn) 定位置。自平衡小車運(yùn)動(dòng)微分方程已知自平衡車高度為l ,質(zhì)量為m,將其抽象為一級(jí)倒立擺，并將倒立擺至于可水平移動(dòng)的小車上。假設(shè)其受外力干擾引起的車體角加速度為 x（t）,沿垂直于車體方向進(jìn)行受

38、 力分析如圖2-7,可以得到自平衡車傾角與車輪移動(dòng)加速度為 a（t）以及外力干擾帶來的加速常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)度x(t)之間的運(yùn)動(dòng)方程圖2-7外力干擾條件下的小車受力分析小車運(yùn)動(dòng)微分方程表達(dá)式如式2-8:2l d2。tdt2= gsinF（t ：l a t cos（t i ，lx t（式 2-8）當(dāng)傾角e很小的時(shí)候，可以進(jìn)行線性化處理：cos(0)-1sin(0)-6 ,運(yùn)動(dòng)微分方程可 簡(jiǎn)化為:（式 2-9）（式 2-10）d2u tl = g t -at lx t dt自平衡車靜止時(shí)a t =0,其運(yùn)動(dòng)微分方程為:d% tl = g t lx t dtPID控制器設(shè)計(jì)PID控制器原理

39、當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比 較和執(zhí)行。測(cè)量系統(tǒng)需要控制的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的 響應(yīng)。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、 工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。PID控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。其輸入e (t)與 輸出u (t)的關(guān)系為：u t = Kp e t1 t e t dt TdTi 0de（t Fdt 一（式 2-11）10常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

40、（論文）其中Kp為比例系數(shù)；工為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。PID控制器具有原理簡(jiǎn)單、使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性強(qiáng)、對(duì)模型依賴少等特點(diǎn), 因此使用PID控制器實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡車的控制是完全可行的。PID控制器設(shè)計(jì)由小車靜止時(shí)其運(yùn)動(dòng)方程可得到系統(tǒng)輸入輸出傳遞函數(shù)：。S（式 2-12）H s =X s此時(shí)系統(tǒng)具有兩個(gè)極點(diǎn)：sp = 一 g0其中一個(gè)極點(diǎn)位于S平面的右半平面。根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)可知系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此小車在靜止?fàn)顟B(tài)不能保持平衡56 o由小車受力分析可知小車平衡的條件是提供額外的回復(fù)力及阻尼，其來源為車輪與地 面的摩擦力。由式2-7可知，車輪提供的加速度的大小是根據(jù)角度 e及角速度日

41、的反饋得出，因此需要在控制系統(tǒng)中引入角度 日及角速度日構(gòu)成比例（P）微分（D）反饋環(huán)節(jié)，如圖2-8所示。（式 2-13）G s1x s 2 k2 Q K - g s sl l此時(shí)，系統(tǒng)的兩個(gè)極點(diǎn)為s _-k2Vk2-4l（k1-。根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)可知，p2l系統(tǒng)穩(wěn)定需要兩個(gè)極點(diǎn)都位于 s平面的左半平面。要滿足這一點(diǎn)，需要 k1g, k20o由此 可得出結(jié)論，但k1g, k20時(shí)，小車可以保持平衡，這也與上文中小車受力分析的結(jié)果相11常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）符。在反饋環(huán)節(jié)中，與角度8成比例的控制量稱為比例控制；與角速度成比例的控制量稱 為微分控制（角速度是角度的微分）。因此上面系數(shù)ki,

42、 k2分別稱為比例和微分控制參數(shù)。 其中微分參數(shù)相當(dāng)于阻尼力，可以有效抑制自平衡車振蕩?？刂葡到y(tǒng)的輸出量為電機(jī)控制量，因而小車平衡控制的PID控制器的輸出方程可寫為：OUT_Motor=Kp*Angle+Kd*Angle_dot（式 2-14）式2-14中，OUT_Motor為PID控制輸出量，Angle為反饋傾角值，Angle_dot為反饋 角速度值，Kp和Kd分別為比例系數(shù)及微分系數(shù)。姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)兩輪自平衡車不同于普通傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的小車，是一種本質(zhì)不穩(wěn)定非線性系統(tǒng)。需要不斷 調(diào)整自身角度，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。因此需要實(shí)時(shí)檢測(cè)自身傾角，再進(jìn)行合理調(diào)整，就可以 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，因而姿態(tài)檢測(cè)成為控制小車直

43、立平衡的關(guān)鍵。慣性導(dǎo)航是依據(jù)牛頓慣性原理，利用慣性元件來測(cè)量運(yùn)載體本身的加速度，經(jīng)過積分 和運(yùn)算得到速度和位置，從而達(dá)到角度、角速度、位置等姿態(tài)檢測(cè)的目的。其工作時(shí)不依 賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng) 78。MEMS慣性器件具有體積小，耐沖擊，壽命長(zhǎng)，可靠性高，成本低等特點(diǎn)，非常適于 構(gòu)建微型捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用MEMS加速度計(jì)和陀螺儀構(gòu)成自平衡車的姿態(tài)檢 測(cè)系統(tǒng)。陀螺儀陀螺儀是一種用高速回轉(zhuǎn)體的動(dòng)量矩敏感殼體相對(duì)慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個(gè) 或二個(gè)軸的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置，可以用于檢測(cè)角速度。本系統(tǒng)使用的陀螺儀是日本村田公司 基于壓電陶瓷技術(shù)的單軸陀螺儀

44、 ENC-03,其實(shí)物如圖2-9所示。其利用了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的 物體會(huì)受到科里奧利力的原理，在器件中利用壓電陶瓷做成振動(dòng)單元。當(dāng)旋轉(zhuǎn)器件時(shí)會(huì)改 變振動(dòng)頻率，從而反映出物體旋轉(zhuǎn)的角速度。ENC-03體積小，響應(yīng)快，功耗低，成本低。采用模擬量輸出，檢測(cè)范圍可達(dá)土 300deg/sec度每秒），靈敏度為0.67mv/deg/sec圖2-9陀螺儀ENC-03陀螺儀直接輸出角速度，將角速度進(jìn)行積分便可以得到角度。陀螺儀輸出數(shù)據(jù)噪聲較12常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）少，短時(shí)誤差較小。由于陀螺儀及其放大電路存在溫漂，且需要經(jīng)過積分運(yùn)算，最終會(huì)導(dǎo) 致誤差累積，致使檢測(cè)結(jié)果出錯(cuò)。因此不能直接利用陀螺儀的積分結(jié)果作

45、為可以直接使用 的角度間8。加速度計(jì)加速度計(jì)是一種利用檢測(cè)質(zhì)量塊的慣性力來測(cè)量載體加速度的敏感裝置，分為線加速 度計(jì)和角加速度計(jì)。本系統(tǒng)采用飛思卡爾公司利用 MEMS微電子技術(shù)開發(fā)生產(chǎn)的三軸加速 度計(jì)MMA7260 o MMA7260是一種低g值、小量程線性加速度傳感器，在不運(yùn)動(dòng)或不受 重力作用（0g）條件下輸出為1.65V,最大測(cè)量范圍0-6g,靈敏度最高可到800mV/g, MMA7260實(shí)物如圖2-10所示。圖2-10加速度計(jì)MMA7260加速度計(jì)可以直接通過反三角函數(shù)計(jì)算出小車傾斜角度，但是其對(duì)震動(dòng)非常敏感，輸 出值中含有大量噪聲，而且其輸出的值是小車運(yùn)動(dòng)加速度與重力加速度的混合數(shù)據(jù)。

46、因此 不能直接使用。通過示波器連接陀螺儀與加速度計(jì)可以觀察其輸出波形，如圖 2-11 o圖2-11陀螺儀與加速度計(jì)輸出波形（131為陀螺儀輸出，2為加速度計(jì)輸出）常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)融合雖然單一慣性傳感器就可以單獨(dú)進(jìn)行姿態(tài)角度檢測(cè)，但是其準(zhǔn)確性主要取決于慣性器 件的精度，單從改善硬件結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝方面難以有很大幅度的提高，并且系統(tǒng)誤差會(huì)隨 時(shí)間累積，不適用于長(zhǎng)時(shí)間姿態(tài)檢測(cè)。由于利用單一傳感器（陀螺儀或加速度計(jì)）難以獲 得相對(duì)真實(shí)的小車姿態(tài)角度，出于對(duì)系統(tǒng)測(cè)量姿態(tài)角度準(zhǔn)確性的考慮，本系統(tǒng)采用多傳感 器信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，以獲得最佳姿態(tài)角度910。多傳感器數(shù)據(jù)融合是一個(gè)非

47、常重要的研究?jī)?nèi)容，只有采用最適合的融合方法才能獲得 最佳的效果。常用數(shù)據(jù)融合方法有加權(quán)平均法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。加權(quán)平均法是一種簡(jiǎn)單的 融合方法，故其運(yùn)算精度很差；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法具有很好的非線性和有效的自學(xué)能力，但是其 涉及的模型構(gòu)建，參數(shù)優(yōu)化非常復(fù)雜，不適用于本系統(tǒng)。國(guó)外有研究者根據(jù)加速度計(jì)與陀 螺儀的互補(bǔ)特點(diǎn)研究出互補(bǔ)濾波算法，其簡(jiǎn)單明了并且具有較好的實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性，能夠 較好的融合出姿態(tài)角度?？紤]到本系統(tǒng)使用的慣性器件特性較差，互補(bǔ)濾波在本質(zhì)原理上 不能彌補(bǔ)器件特性缺陷，故本系統(tǒng)采用卡爾曼濾波算法作為數(shù)據(jù)融合方法。1960年卡爾曼發(fā)表了著名的用遞歸方法解決離散數(shù)據(jù)線性濾波問題的論文。隨著數(shù)字計(jì)算

48、技術(shù)的進(jìn)步，卡爾曼濾波器得到了越來越廣泛的應(yīng)用和推廣，尤其是在自主或協(xié)助導(dǎo) 航領(lǐng)域?？柭鼮V波器與大多數(shù)濾波器不同之處，在于其是一種純粹的時(shí)域?yàn)V波器，不需 要像低通濾波器等頻域?yàn)V波器那樣，需要在頻域設(shè)計(jì)再轉(zhuǎn)換到時(shí)域?qū)崿F(xiàn)。對(duì)于解決大部分 的問題，是最優(yōu)，效率最高甚至是最有用的?？柭鼮V波器的廣泛應(yīng)用已經(jīng)超過30年，包括機(jī)器人導(dǎo)航，控制，傳感器數(shù)據(jù)融合甚至在軍事方面的雷達(dá)系統(tǒng)以及導(dǎo)彈追蹤等等。近年來更被應(yīng)用于計(jì)算機(jī)圖像處理，例如頭臉識(shí)別，圖像分割，圖像邊緣檢測(cè)等等1112。卡爾曼濾波器是一種高效率的遞歸濾波器（自回歸濾波器），能夠從一系列的不完全及 包含噪聲的測(cè)量中，估計(jì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。卡爾曼濾波

49、器不僅能估計(jì)信號(hào)的過去和當(dāng)前狀 態(tài)，甚至能估計(jì)將來的狀態(tài)。卡爾曼濾波器解決離散時(shí)間控制過程的一般方法，首先定義模型線性隨機(jī)微分方程。假設(shè)卡爾曼濾波模型k時(shí)刻真實(shí)狀態(tài)是從（k-1）時(shí)刻推算出來，如下式Xk = AXk BUk Wk（式 2-15）式2-15中，Xk是k時(shí)刻狀態(tài)；A是k-1時(shí)刻狀態(tài)變換模型；B是作用在控制器向量Uk上的輸入控制模型；Wk是過程噪聲，假設(shè)其均值為零，協(xié)方差矩陣 Qk符合多元正態(tài)分布：Wk N（0,Qk）（式 2-16）14常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）k時(shí)刻對(duì)應(yīng)真實(shí)狀態(tài)Xk的測(cè)量Zk滿足下式:（式 2-17）Zk = HkXkVk式2-17中Hk是觀測(cè)模型，將真實(shí)控制映

50、射為觀測(cè)空間；Vk為觀測(cè)噪聲，其均值為零,協(xié)方差矩陣R符合正態(tài)分布：（式 2-18）Vk N（0,RJ初始狀態(tài)以及每一時(shí)刻的噪聲都認(rèn)為是互相獨(dú)立的?？柭鼮V波器的操作主要包括兩個(gè)階段：預(yù)估與更新。在預(yù)估階段，濾波器根據(jù)上一 時(shí)刻狀態(tài)，估算出當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)；在更新階段，濾波器利用當(dāng)前時(shí)刻觀測(cè)值優(yōu)化在預(yù)估階 段獲得的測(cè)量值，以獲得一個(gè)更準(zhǔn)確的新估計(jì)值1112130卡爾曼濾波器迭代過程如下：.先驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)：義卜=AX + Bu-1（式 2-19）.先驗(yàn)估計(jì)誤差協(xié)方差Pkk=APjAT+Q（式 2-20）.卡爾曼增益Kk = Pk k=HT（HPkHT +R）（式 2-21）k k 1k k 1.后驗(yàn)狀

51、態(tài)估計(jì)?k = Xk |k J Kk（Zk - H?k |o）（式 2-22）.后驗(yàn)誤差協(xié)方差Pk =（I -KkH）Rk（式 2-23）在上面各式中：A：作用在見上的n階矩陣；B:作用在控制向量線上的nX1輸入控制矩陣；H: mxn觀測(cè)模型矩陣，將真實(shí)狀態(tài)空間映射為觀測(cè)空間；Pk|ki： nxn先驗(yàn)估計(jì)誤差協(xié)方差矩陣；R ： nxn后驗(yàn)估計(jì)誤差協(xié)方差矩陣；15常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）nx n過程噪聲協(xié)方差矩陣；m x m過程噪聲協(xié)方差矩陣；I: n階單位矩陣；Kk ： nXm矩陣，稱之為卡爾曼增益。2.6本章小結(jié)本章闡述了小車平衡控制原理與所需條件。對(duì)小車進(jìn)行受力分析，構(gòu)建了小車的運(yùn)動(dòng)

52、模型并提出了小車的運(yùn)動(dòng)微分方程。解算出小車運(yùn)動(dòng)控制的傳遞函數(shù)并利用自動(dòng)控制理論 進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了兩輪自平衡車的 PID控制器。介紹了本系統(tǒng)使用的姿態(tài)檢測(cè)傳感器, 分析了其性能特點(diǎn)。簡(jiǎn)述了卡爾曼濾波器原理及其設(shè)計(jì)流程。16常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：可靠、高效、簡(jiǎn)潔?？煽啃允窍到y(tǒng)設(shè)計(jì)的第一要求， 因此對(duì)電路設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)都進(jìn)行了電磁兼容性設(shè)計(jì)，做好各部分的接地、屏蔽、濾波等 工作，將高速數(shù)字電路與模擬電路分開，從而大大提高本系統(tǒng)工作的可靠性。系統(tǒng)主要由 以下幾個(gè)模塊組成：MC9S12XS128單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、電源模塊硬件設(shè)計(jì)、傾角 傳感器

53、信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、速度檢測(cè)電路。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖如下:圖3-1硬件設(shè)計(jì)總體框圖3.1 MC9SXS128單片機(jī)介紹本系統(tǒng)采用飛思卡爾公司（原摩托羅拉公司半導(dǎo)體事業(yè)部）的MC9s12XS128單片機(jī)為控制核心。該單片機(jī)是飛思卡爾公司的16位HCS12系列單片機(jī)，簡(jiǎn)稱 S12系列。MC9s12XS128是HCS12系列的增強(qiáng)型產(chǎn)品?；?S12的CPU內(nèi)核，可達(dá)到25MHz的 HCS12的25倍性能。S12X系列增加了 172條額外指令，可以執(zhí)行32位計(jì)算（共280條 指令），總線頻率最高可以達(dá)到40MHz,改進(jìn)了中斷處理能力。S12X系列的CPU采用復(fù) 雜指令集CISC架構(gòu)，集成

54、了中斷控制器，有豐富的尋址方式。中斷有7個(gè)優(yōu)先級(jí)并且內(nèi)核支持優(yōu)先級(jí)的調(diào)度，最多可有 117個(gè)中斷源，S12X可訪問最多8M的全部存儲(chǔ)空間（包 括片內(nèi)和片外資源）14150MC9s12XS128采用的是5V供電，芯片內(nèi)部含有128K的Flash存儲(chǔ)器，8K的RAM ,17常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）8K的EEPROM,兩路串行通信接口（ SCI）, 一路串行外圍接口（ SPI）,八路定時(shí)器通 道，兩個(gè)（80引腳為一個(gè)）八路可調(diào)轉(zhuǎn)換精度的 A/D 口，八路PWM輸出，91 （80引腳 為59）個(gè)離散數(shù)字I/O 口 1516, 一個(gè)MSCAN模塊.其功能模塊如圖3-2所示。圖3-2 MC9S12XS

55、128單片機(jī)功能模塊示意圖一、MC9s12XS128 主要特性1）最高總線速度從25MHz提升到40MHz;2）增加GPags RPags EPage頁(yè)面寄存器，可以實(shí)現(xiàn)8MB存儲(chǔ)空間連續(xù)尋址；3）以內(nèi)存代替EEPROM,編程簡(jiǎn)化；4）電源供電簡(jiǎn)化，不在需要外部 PLL濾波電路器件；5） A/D從10位精度升為12位精度；6）內(nèi)部有容錯(cuò)、糾錯(cuò)功能ECC;7） CCR由8位改為16位，增加3個(gè)優(yōu)先級(jí)位，將中斷源細(xì)分為 7級(jí)；8） SPI支持16位操作；9）有存儲(chǔ)保護(hù)設(shè)置、定時(shí)器功能增強(qiáng)，有四通道 24位周期中斷定時(shí)器；10）不再支持模糊邏輯指令。二、通用寄存器S12X系列單片機(jī)的中央處理器 CP

56、U12X由以下三部分組成：算術(shù)邏輯單元 ALU、控 制單元和寄存器組。通常外部采用 8MHz或16MHz石英晶體振蕩器，可通過內(nèi)部鎖相環(huán) 使片內(nèi)總線速度提升到最高120MHz,尋址方式有16種。內(nèi)部寄存器組中的寄存器、堆棧 指針和變址寄存器均為16位。CPU12X的累加器D是16位的，但是可分別看成兩個(gè)8位 累加器A和B。CPU12X的寄存器組包括如下5個(gè)部分。16為累加器D或8位累加器A和B;16位變址寄存器X和Y,用來處理地址，可分別用于源地址和目的地址指針型18常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)變量運(yùn)算；16位堆棧指針寄存器SP;16位程序計(jì)數(shù)器PC,運(yùn)行時(shí)指向下一條指令的地址；16位條件碼寄

57、存器CCR,在這一點(diǎn)上和CPU12不同，要特別注意。三、功能模塊MC9S12XS128所擁有的增強(qiáng)型輸入捕捉定時(shí)器的特性如下：16位自由運(yùn)行時(shí)鐘，8位預(yù)分頻因子；8個(gè)16位輸入捕捉或輸出比較；1個(gè)16位脈沖累加器。MC9S12XS128的脈寬調(diào)制模塊(PWM )可設(shè)置成8通道8位或者4通道16位，占 空比可編程，脈沖波形可中心對(duì)齊或邊緣對(duì)齊。MC9s12XS128的異步串行接口 SCI有兩個(gè)，可選用普通非歸零碼或 卜DA1.4歸零碼; 支持LIN總線協(xié)議；有一個(gè)同步串行外設(shè)接口 SPIoMC9s12XS128的J、H和P 口有位輸入信號(hào)跳變沿產(chǎn)生中斷、喚醒 CPU功能，根據(jù) 封裝，最多可有20

58、個(gè)帶位中斷的引腳。MC9s12XS128時(shí)鐘發(fā)生器可使用范圍216MHz的外部晶振頻率，通過鎖相環(huán)頻率合 成器產(chǎn)生更高單片機(jī)內(nèi)部總線周期。當(dāng)外部時(shí)鐘缺失時(shí)，內(nèi)部提供自時(shí)鐘方式，直到外部 時(shí)鐘恢復(fù)為止。單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用Freescale公司16位單片機(jī)MC9s12XS128為控制器，最小系統(tǒng)原理圖如 圖3-3所示，主要包括單片機(jī)供電、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路以及 BDM接口電路。由于單片 機(jī)內(nèi)部集成了 PIM、TIM、PWM、SPI、SCI、ECT、CAN、AD、PIT等模塊，因此使用方 便。19常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）C8ToJSS1/PWM3/KWP3/PP3SCK1/PWM2/K

59、WP2/PP2MOSI1/PWM1/KWP1/PP1MISO1/PWM0/KWP0/PP0IOC0/PT0IOC1/PT1IOC2/PT2IOC3/PT3VDD1VSS1IOC4/PT4IOC5/PT5IOC6/PT6IOC7/PT7MODC/TAGHI/BKGDADDR0/DATA0/PB0ADDR1/DATA1/PB1ADDR2/DATA2/PB2ADDR3/DATA3/PB3ADDR4/DATA4/PB42 OS M P W K 4 M W PS iM/W )5 MW 2 X K D C DWK M WB P A A D D D AB P /A ，A iR /D 1D 1A iB C A

60、 OR N5ED&EPLPI/AD o M SEDMEPPLbDOMbxdpunac ydo MP xssvBXTiUNAC XT MP4EDJKLCES00ON Ac YTn NACXTAO MP -OF MkuN ACXDI nacyr/2 MPRDDVRssv.s o N Ac XDU NACXRT2N Ac XRT4 MPkcq4nac xtiun Ac XJT2 NACXTT5 M p-NE GER V lcq4n Ac YM.4/J wADQW4 NACXRrKy wD X SAssvOD yrlosp1R VTEQERlpddvL ATXE LLPSSVCFXTQPTl-FgT9