文稿說明分析

20165人，兩輪自平衡機器積小，運動靈活，能夠在比較狹窄、需要大轉(zhuǎn)角的場合中運本設(shè)計以兩輪車模為研究平臺，以公司32位微處理器MK60FX512VLQ15為控制。通過加速度傳感器和陀螺儀，設(shè)計濾波算法，實現(xiàn)了傾角的測量；通過設(shè)計MOS電機驅(qū)動電路，使用單片機輸出，實現(xiàn)了電機速度控制；通過編寫控制算法，實現(xiàn)了兩輪車模的自平衡功能；通過編測量電機轉(zhuǎn)速，對速度進行閉環(huán)控制，實現(xiàn)了兩輪自平衡機器人的速度控制功能。最終通過無線，使小車能夠在自平衡單片機，PID，傾角測量，MOSSelf-balancingrobotbasedonPIDAlongwiththefurtherroboticsresearch,androbotswaswidelyusedintheindustrial Things.Inapracticalapplication,the paredwiththeWheeledrobotwhichhasseveralwheels,self-balancingtwo-wheelrobothastheadvantagesofflexiblemovementbecauseofit’ssmallsize,it’ssuitableinthemorenarrowuseoftheenvironment.Thiskindofrobothastwowheelsofcoaxial,tokeepbalancebywayofmovement.Therobotcanachievethebasicmovementfunction,itcanmoveforwardandbackward,turnleftandright,aswellasstillstanding.Duetoit’sspecialstructure,itcanadapttodifferentterrainenvironment.Forthereasongivenabove,researchesontheTwo-WheeledSelf-BalancingRobotwouldbesignificant.asthecontrollingkernel.Themainworks plishedinthepaperinclude:(1)Designingafilteralgorithm,achievingAnglemeasurementbasedonInertialMeasurementUnit-controlthroughtechnology.(3)Designingcontrolalgorithm,achievingself-balancing.(4)Measuringmotorspeed,achievingspeedcontrolundertheconditionofself-balancingthroughClosed-LoopControl.Finally,realizingfreemovementbyusingaremote:Microcontroller,PID,Measurementofangle，Drivingcircuitof緒 研究目的和意 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn) 設(shè)計內(nèi) 總體設(shè)計方 設(shè)計思 硬件設(shè)計方 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方 硬件電路設(shè) 單片機最小系統(tǒng)電 加速度傳感器模 陀螺儀模 電機驅(qū)動模 電源管理模 軟件程序設(shè) 系統(tǒng)流程圖 程序初始化 PID控制算法 PID控制算法介 PID控制算法參數(shù)整 傾角估計算法 互補濾波 卡爾曼濾波 直立控制程序設(shè) 速度控制程序設(shè) 方向控制程序設(shè) 開發(fā)工具及調(diào)試結(jié) 開發(fā)工具介 MDK介 SerialDigitalScope介 調(diào)試結(jié) PID算法控制電機調(diào)試結(jié) 互補濾波法調(diào)試結(jié) 卡爾曼濾波法調(diào)試結(jié) 總結(jié)與展 附錄A主控板原理圖與PCB 附錄B電機驅(qū)動原理圖與PCB 附錄C主要源程 參考文 致 研究目的和意兩輪自平衡機器積小，運動靈活，能夠在比較狹窄、需要大轉(zhuǎn)角的場合中運動[1]。國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)兩輪自平衡機器人的構(gòu)想來源于電氣通信的喀左教授在1986年一種自2002年，工業(yè)大學的FelixGrasser等人設(shè)計出可的兩輪自平衡機器人，運動速度可達到1.5m/s。兩輪共軸，每個有獨立的驅(qū)動，能實現(xiàn)速度控制、2002年，的賽格威公司設(shè)計了第一輛載人電動平衡車Segway，設(shè)計時速可20km/h，并且成功推向市場，但是價格昂貴，高達5000[3]2004設(shè)計了一款兩輪自平衡電動代步車，可實現(xiàn)領(lǐng)半徑轉(zhuǎn)彎。使用簡單，用戶經(jīng)過10分鐘簡單的練習就可以駕駛，正常工作時，使用者通過身體前傾和后仰來控制加速和，通過手柄，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，時速可達10km/h,30km。設(shè)計內(nèi)使用ARMCortex-M4內(nèi)核的FreescaleK60單片機為主控制器，對加速度計和陀螺儀的數(shù)據(jù)進行融合，得到車身傾角最優(yōu)估計，設(shè)計MOS電機驅(qū)動電路，編寫PID控制算法控制車輪，達到自主直立的目的。利用編構(gòu)成速度反饋回路，使用PID控制算法設(shè)計思2.1硬件設(shè)計方鍵電路蜂鳴器電路其中電源管理電路分為3.3V電源管理電路和5V電源管理電路，5V管理電路使用LM2940三端線性穩(wěn)壓器，輸入7.2V電池電壓，輸出5V電壓。3.3V管理電路使用LM1117三端線性穩(wěn)壓器，輸入接LM2940的5V電壓，輸出3.3V電壓?？紤]到本系統(tǒng)中器件、傳感器較多，因此5V管理電路和3.3V管理電路均使用兩個。微控制器接口主要包括：OLED接口、藍牙接口、MMA7361傳感器接口、L3G4200D傳感器接口、編正交接口2個、四通道 接口、接口，以及預留IO，方便調(diào)試圖2.2機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方的角度安裝在輪軸，使用熱熔膠加以固定。圖2.3單片機最小系統(tǒng)電K60(ARMCortex-M4耗、混合信號微控制器，Cortex-M4內(nèi)核帶DSP指令，性能可達1.25DMIPS/MHz(部分本系統(tǒng)使用MK60FX512VLQ15單片機為控制，該單片機主頻高達150MHz，內(nèi)部512KBFlash、144KBSRAM，可以輕松應對大多數(shù)的嵌入式應用場合。片內(nèi)集成了4個可配置分辨率的高速16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、兩個12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）、4個可輸出的高速比較器、6個支持IrDA的UART、3個硬件IIC總線接口和3個硬SPI總線接口、32通道DMA控制器以及大量的多功能定時器，豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，不式，運行功耗低至350uA/MHz,靜態(tài)功耗低至5.6uA，在高性能應用場合也可有效降低系[8]LQFP144圖3.1主 加速度傳感器模MMA7361是公司（原飛思卡爾）的微型電容式加速度傳感器，其功耗低，體2.2-3.6V400uA，3uAMMA7361的引腳圖如下圖3-1所示，引腳排列如下表3.1所示引12引12X3Y4Z5地6789g-3.2MMA7361陀螺儀模L3G4200D16具有三種可選分辨率（250/500/2000dps），集成高通、低通濾波器，用戶可帶2.4-3.6V，通過IIC/SPI接口輸出數(shù)據(jù)。3.3L3G4200D電機驅(qū)動模采用集成電機驅(qū)動使用集成電機驅(qū)動設(shè)計（常用的電機驅(qū)動有BTS7970、L298N等），電路簡單、可靠性高，但是驅(qū)動的性能有限。由于本系統(tǒng)車模的電機的內(nèi)阻小于10毫歐，而集成驅(qū)動內(nèi)部的每個場效應管導通電阻在120毫歐以上，這樣，電機驅(qū)動回路總電阻就太大了，驅(qū)動電路的輸出功率和發(fā)熱量都很大，電機性能得不到充分發(fā)揮。采用N溝道場效應管和柵極驅(qū)動設(shè)計，分立的N溝道場效應管的導通電阻很低，一般小于10毫歐，大大減小了電機驅(qū)動回路總電阻。另外的柵極驅(qū)動可以提高場效應管的開關(guān)速度，使控制方式的調(diào)制頻率提高，從而減少電樞電流脈動[9]。，經(jīng)過多次試驗與調(diào)試，我們最終選用大電路電機半橋驅(qū)動IR2184，它可以驅(qū)動高端和兩個N溝道場效應管能提供較大的柵極驅(qū)動電流并具有硬件死區(qū)、硬件防同臂導通等功能使用兩片IR2184型半橋驅(qū)動可以組成完整的直流電機H橋式驅(qū)動電路。其性能優(yōu)異、價格便宜，所以我們選擇它進行設(shè)計10]。電源管理模（7805LM2940LM1117和開關(guān)（LM2596LM2941較低，因此應該選擇開關(guān)型穩(wěn)壓電源[1]。LM2940:LM2940-5.05V，1A，在輸出電流為1A時，最小輸入輸出電壓差為0.8V，最大輸入電壓為26V。工作溫度-LM1117：LM1117是一個低壓差線性三端穩(wěn)壓5個固定電壓輸出的型號：1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V。當其在輸出電壓3.3V，輸出電流為800mA時輸入輸出電壓差1.2V。LM1117±1%，輸出端需要一個至少10uF的鉭電解電容來改善瞬態(tài)響應和穩(wěn)定具有TO-263TO-220SOT-223和TO-2523.3VLM1117OLED12]。系統(tǒng)流程圖4.1程序初始化LEDLED轉(zhuǎn)換器進行，MK60單片機內(nèi)部集成4個16位ADC轉(zhuǎn)換器，通道多達數(shù)十個，分辨 ADC_QuickInit(ADC_ACCEL_Z,kADC_SingleDiff10or11);//單端10OLED_P8x16Str(0,2,"oWorld!");初始化：本系統(tǒng)通過控制電機轉(zhuǎn)動，頻率10Khz，初始化程序如下:UARTDMA初始化：UART即通用異步收發(fā)器（UniversalAsynchronous便進行調(diào)試和觀測數(shù)據(jù)。DMA指直接器技術(shù)（DirectMemoryAccess），GPIO_CallbackInstall(KEY_GPIO,GPIOA_ISR);//按鍵中斷回調(diào)函數(shù)Cortex-能，即estedVectoredInterruptController的縮寫。通過NVIC控制器，可NVIC_EncodePriority(NVIC_PriorityGroup_2,0,0));PID控制算法PID圖4.2PIDPID控制器的微分方程U(t)Kp[e(t)1te(t)dtTde(t)r(tc(t

Ti

PID

D(s)=U(s)

1Ti*

Td*S]

數(shù)字式PIDU(n)Up(n)Ui(n)Ud(n)

Up(n)

nUi(n)KpTn

Ud(n)Kp*Td[e(n)e(nT

Ti

P PI PD PID

U(n)Up(n)U(n)Up(n)Ui(n)U(n)Up(n)Ud(n)U(n)Up(n)Ui()Ud(n)PIDPIDU(n)Kp{e(n) ne(i)Td[e(n)e(nTT

PIDU(n)=U(n)-U(n-=Kp[e(n)e(n1)]KpTe(n)KpTd[e(n)2e(n1)e(n= PIDPID的參數(shù)整定是PID控制算法設(shè)計的內(nèi)容，根據(jù)系統(tǒng)的特性確定PID控制器的比例系數(shù)Kp、積分時間Ti和微分時間Td。PID的參數(shù)整定方法有很多，概括起來有PID參數(shù)的工程整定法，主要有臨界比例法、反應曲和衰減法。三種方法各有PIDPIDPIDKpPIDTi=0、Td=0，PID60%~70%，0Kp，Kp輸出振蕩，記下此時的比例系數(shù)Kp，設(shè)定比例系數(shù)Kp為當前記錄值得60%~70%。KpTi，Ti，直到系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，然后再逐漸加大Ti，直到系統(tǒng)振蕩。記下此時的積分時間常數(shù)Ti，PID控制器的Ti150%~180%。TdKpTi30%PID4.3①arctan(X/Z②arcsin(X/③arccos(Z/INS[23]。K1dt，直到滿意為止。其中，K1K1[24]float // voidYijie_Lvbo(floataccel_pro,floatgyro_pro){angle=K*accel_pro+(1-K)*(angle+gyro_pro*}卡爾曼濾波法源于匈牙利數(shù)學家RudolfEmilKalman的《ANewApproachtoLinearFilteringandPredictionProblems》（線性濾波與預測問題的新方法）。卡量傾角的情況下，設(shè)定目標平衡角度，使用PID算法進行閉環(huán)控制。因為車體只會在一轉(zhuǎn)動，抵消車體在該維度上的傾斜，就可以完成平衡控制[27]2.2.14.4L，mx(t)。如4.5a(t)以及外x(t)之間的運動方程。4.5

g g a(t)cos[

在角度很小時，運動方程簡化

g(t)a(t)

dt

2.2.34.64.7void{angle_Accel=(A_Z-AZ_ZERO);angle_Accel=asin(angle_Accel);Gyro_Now=(T_Y-TY_OFFSET)* elseif(FilterSwitch==1) elseif(FilterSwitch==2) elseif(FilterSwitch==3) {}{}

elseif(AngleControlOut_D<-500)AngleControlOut_D=-500;if(AngleControlOut>800)AngleControlOut=800;}改變車模直立控制的目標角度，直立控制PD算法中，有一個目標傾角，當目標傾角不是真正的平衡位置傾角時，車模會一直運動。通過編測量轉(zhuǎn)速，形成PID很難維持平衡，在直立控制的作用下，車模就會運行。通過編測量轉(zhuǎn)速，形成PID4.8void{if(SpeedControlOut>300)SpeedControlOut=300;//速度環(huán)輸出限幅elseif(SpeedControlOut<-300)SpeedControlOut=-300;}PD具備自主識別路徑的功能，因此PD算法的輸入?yún)?shù)使用完成。為了改善轉(zhuǎn)向的PDe(t)-e(t-1)，X4.9voidDirection_Calculate(int16_t{if(DIR.error_sum>2000)DIR.error_sum=2000;elseif(DIR.error_sum<-2000)DIR.error_sum=-2000;DirectionControlOut=DIR.P*DIR.error++DIR.D*(T_X-if(DirectionControlOut>300)DirectionControlOut=300;elseif(DirectionControlOut<-300)DirectionControlOut=-}開發(fā)工具介MDKMDKKeilARMCortex-MCortex-R4ARM7ARM9、調(diào)試，支持C/C++語言和匯編語言，并且可以聯(lián)合編寫，編譯效率高，具有多種優(yōu)化等級，用于開發(fā)大多數(shù)嵌入式軟件非常方便。MDKARMC/C++Cortex-M0/M3/M4、Cortex-R4、ARM7ARM9KeilRTXTCP/IPUSBUSBGUIMDKCMSIS(CortexSerialDigitalScopeSerialDigitalScope數(shù)據(jù)分析功能，支持最大波特率115200。協(xié)議簡單可靠，具備CRC校驗功能，可以很方調(diào)試結(jié)PID為了學習和驗證PID算法，設(shè)計了位置式PID算法在電機空載情況下進試，PID圖5.1PID算法方波效圖5.2PID算法鋸齒波效圖5.3PID算法正弦波效互補濾波主要調(diào)節(jié)的是對于加速度計的K,K越大，則速度越快，但濾波效果越差。根據(jù)需要，選擇適合系統(tǒng)的K系數(shù)。下面兩幅圖分別為K=0.01,和K=0.05時當K=0.01時，濾波效果更明顯，平滑度很高。當K=0.05時 效果好，平滑度差5.4（K=0.015.55.6人，兩輪自平衡機器積小，運動靈活，能夠在比較狹窄、需要大轉(zhuǎn)角的場合中運本設(shè)計以32位微控制器MK60FX512VLQ15為，自行設(shè)計了主控電路板和電機驅(qū)動電路板，以兩輪車模為研究平臺，編寫CPIDOLED藍牙可以將系統(tǒng)同外部設(shè)備如電腦等連接起來可進行無線控制和調(diào)試通過可以控制自平衡機器人運動如果加入環(huán)境識別系統(tǒng)如頭CCD紅外對難達到較高水平。2）PIDPIDPIDPIDA主控板原理圖與PCBB電機驅(qū)動原理圖與PCBCint{uint8_tdirswitchtemp,spswitchtemp;{ {spswitchtemp=SpeedControlSwitch;}}}void{staticuint16_tFindZeroIndex=0;{}{systime_speed=0;Sp_Smooth=0.05;//}{{{}}}}void{/*******DMP用到了printf*********///**********LED初始化，用作系統(tǒng)運行指示***********///********OLED初始化**************///**************模擬加速度計陀螺儀初始化 ////**************IIC及L3G4200D\HMC5883初始化******************//{} /****DMP數(shù)據(jù)輸出中斷*/ //DMP輸出輸出中斷/****************初始化*****************//**************FTM正交初始化/***********初始化位脈沖-方向型編入//**********************按鍵中端配置//*****************PIT定時中斷初始化*****************//*******************NVIC配置****************/ //中斷優(yōu)先級分成2組NVIC_SetPriority(PIT0_IRQn,NVIC_EncodePriority(NVIC_PriorityGroup_2,1,NVIC_SetPriority(PORTE_IRQn,NVIC_EncodePriority(NVIC_PriorityGroup_2,2,OLED_P8x16Str(0,2,"o}[1],,,等.移動機器人技術(shù)研究現(xiàn)狀與未來[J].機器人,2002,黃永志,.兩輪移動機器人運動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].機器人,1:40-梁棟,尹曉紅,王夢晴.移動機器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].科技信息2014(9):33-.兩輪自平衡機器人控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].哈爾濱工業(yè)大學,.兩輪自平衡小車的控制技術(shù)研究[D].西安電子科技大學,PathakK,FranchJ,AgrawalSK.Velocityandpositioncontrolofawheeledinvertedpendulumbypartialfeedbacklinearization[J].IEEETransactionsonRobotics,2005,賴義漢,王凱.基于MPU6050的雙輪平衡車控制系統(tǒng)設(shè)計[J].學報：自然科學版,2014,01期(1):53-57.K60Sub-FamilyReferenceManual. .,杜楊,,等.基于場效應管的直流電機驅(qū)動控制電路設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2008(2):3-6.卓晴.學做智能車[M].航空航天大學,.嵌入式硬件系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)實例詳解[M].電子工業(yè),徐亮,阮江軍,甘艷,等.去耦電容在PCB板設(shè)計中的應用[J].電測與儀表2002,楊東軒.ARMCortex-M4筆記[M].航空航天大學,ARMCortex-M4DevicesGenericUserGuide.劉金琨.先進PID控 仿真(第3版)[M].電子工業(yè),歷風滿.數(shù)字PID控制算法的研究[J].遼寧大學學報:自然科學版,2005,GudeJJ,Kahoraho ysisandPerformanceComparisonofPIDandFractionalControllers[J].Dynamics&ControlofProcessSystems,YoshikazuNishikawaNobuoSannomiyaTokujiOhta,等Amethodforauto-tuningofPIDcontrolparameters[J]