現(xiàn)代測試技術(shù)展示

平衡角度測量系統(tǒng)設(shè)計

目錄1、傳感器系統(tǒng)的作用2、三軸加速度計3、陀螺儀4、角度測量傳感器的融合5、控制系統(tǒng)框圖6、硬件設(shè)計電路

系統(tǒng)作用智能車系統(tǒng)的總體工作模式為：

CCD圖像傳感器拍攝賽道圖像，輸出PAL制式信號，經(jīng)過信號處理模塊，采用LM1881進行視頻同步分離，圖像信號、奇偶場信號、行同步信號輸入到MK60N512VMD100微控制器，進行進一步處理獲得主要的賽道信息。

通過光電編碼器來檢測車速，并采用K60的輸入捕捉功能進行脈沖計算獲得速度和路程；驅(qū)動電機采用PID控制，通過PWM控制驅(qū)動電路調(diào)整電機的功率；轉(zhuǎn)向通過左右電機差速實現(xiàn)，采用PD控制。MK60N512VMD100LM1881圖像處理模塊線陣CCD編碼器電機驅(qū)動模塊上位機模擬圖像信號奇偶場信號行同步信號速度信息UART加速度計陀螺儀

系統(tǒng)作用車模角度和角速度測量的作用：

通過測量車模的傾角和傾角速度控制車模車輪的加速度來消除車模的傾角。因此，車模傾角以及傾角速度的測量成為控制車模直立的關(guān)鍵。

測量車模傾角和傾角速度可以通過安裝在車模上的加速度傳感器和陀螺儀實現(xiàn)。

系統(tǒng)作用車模角度和角速度測量的作用：

通過測量車模的傾角和傾角速度控制車模車輪的加速度來消除車模的傾角。因此，車模傾角以及傾角速度的測量成為控制車模直立的關(guān)鍵。

測量車模傾角和傾角速度可以通過安裝在車模上的加速度傳感器和陀螺儀實現(xiàn)。三軸加速度計加速度傳感器的原理：加速度傳感器可以測量由地球引力作用或者物體運動所產(chǎn)生的加速度。

通過微機械加工技術(shù)在硅片上加工形成了一個機械懸臂。它與相鄰的電極形成了兩個電容。由于加速度使得機械懸臂與兩個電極之間的距離發(fā)生變化，從而改變了兩個電容的參數(shù)。

通過集成的開關(guān)電容放大電路量測電容參數(shù)的變化，形成了與加速度成正比的電壓輸出。三軸加速度計MMA7260加速度傳感器：MMA7260是一款三軸低g半導(dǎo)體加速度計，可以同時輸出三個方向上的加速度模擬信號。

通過設(shè)置可以使得MMA7260各軸信號最大輸出靈敏度為800mV/g，這個信號無需要在進行放大，直接可以送到單片機進行AD轉(zhuǎn)換。三軸加速度計MMA7260加速度傳感器：

只需要測量其中一個方向上的加速度值，就可以計算出車模傾角，比如使用Z軸方向上的加速度信號。

車模直立時，固定加速度器在Z軸水平方向，此時輸出信號為零偏電壓信號。

車模發(fā)生傾斜時，重力加速度g便會在Z軸方向形成加速度分量，從而引起該軸輸出電壓變化。三軸加速度計加速度傳感器測量角度存在的問題：

車模運動產(chǎn)生的加速度使得輸出電壓在實際傾角電壓附近波動。這些波動噪聲可以通過數(shù)據(jù)平滑濾波將其濾除。但是平滑濾波一方面會使得信號無法實時反映車模傾角變化，從而減緩對于車模車輪控制。另一方面也會將車模角速度變化信息濾掉。

上述兩方面的濾波效果使得車模無法保持平衡。因此對于車模直立控制所需要的傾角信息需要通過另外一種器件獲得，那就是角速度傳感器-陀螺儀。角速度傳感器角速度傳感器-陀螺儀的原理：陀螺儀可以用來測量物體的旋轉(zhuǎn)角速度。

它利用了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的物體會受到科里奧利力的原理，在器件中利用壓電陶瓷做成振動單元。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)器件時會改變振動頻率從而反映出物體旋轉(zhuǎn)的角速度。

由于陀螺儀輸出的是車模的角速度，不會受到車體運動的影響，因此該信號中噪聲很小。車模的角度又是通過對角速度積分而得，這可進一步平滑信號，從而使得角度信號更加穩(wěn)定。

因此車?？刂扑枰慕嵌群徒撬俣瓤梢允褂猛勇輧x所得到的信號。角速度傳感器角速度傳感器-陀螺儀的問題：

由于從陀螺儀角速度獲得角度信息，需要經(jīng)過積分運算。如果角速度信號存在微小的偏差和漂移，經(jīng)過積分運算之后，變化形成積累誤差。

這個誤差會隨著時間延長逐步增加，最終導(dǎo)致電路飽和，無法形成正確的角度信號。解決辦法：

通過上面的加速度傳感器獲得的角度信息對此進行校正，通過對比積分所得到的角度與重力加速度所得到的角度，使用它們之間的偏差改變陀螺儀的輸出，從而積分的角度逐步跟蹤到加速度傳感器所得到的角度。加速度計和陀螺儀的融合融合方法-卡爾曼濾波的原理：在此我們引入一個數(shù)學(xué)工具作為獲得修正角度的方法-----卡爾曼濾波器。

卡爾曼濾波器是一個高效的遞歸濾波器，它可以實現(xiàn)從一系列的噪聲測量中，估計動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。

廣泛應(yīng)用于包含Radar、計算機視覺在內(nèi)的等工程應(yīng)用領(lǐng)域，在控制理論和控制系統(tǒng)工程中也是一個非常重要的課題。平衡控制系統(tǒng)平衡控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖：平衡控制系統(tǒng)包括了直立控制、速度控制、轉(zhuǎn)向控制。硬件電路設(shè)計以K60為核