【正文】 了智能的機(jī)電設(shè)備。單片機(jī)雖然體積不大，但是其內(nèi)部卻包含了許多集成電路，它的本身是一種超大規(guī)模的集成電路，能夠處理好很多的事情，其中包含了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的能力，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行隨時(shí)存儲(chǔ)的能力，對(duì)寫好的程序進(jìn)行讀取的能力，也有著不俗的數(shù)據(jù)輸入輸出能力。所以雖然體積小，結(jié)構(gòu)沒那么復(fù)雜，但是其本身也是一個(gè)較為完整的小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在特定軟件的操控之下，該集成電路能夠完成各項(xiàng)設(shè)計(jì)者事先安排好的指令。單片機(jī)在處理數(shù)據(jù)、運(yùn)行程序方面比同類芯片更加的優(yōu)越，功能更加的全面，因?yàn)閮H 僅靠它可以獨(dú)自實(shí)現(xiàn)很多現(xiàn)代工業(yè)控制的智能化控制功能，然而其他芯片卻不能達(dá)到這個(gè)水平。 PID算法簡介 PID 控制器其實(shí)面世已經(jīng)約 1 個(gè)世紀(jì)了，被頻繁的在機(jī)械設(shè)備、氣動(dòng)設(shè)備和電子設(shè)備等方面使用。然而現(xiàn)在數(shù)字 PID 控制器包含了微處理器，把一個(gè) PID 控制器放入一小段代碼當(dāng)中將不再困難。 PID 算法的三要素分別是：比例、積分、微分。 PID 控制器里面的三要素被分配的任務(wù)也是不一樣的，因此在系統(tǒng)中扮演著不同的角色，起了不同的作用。在典型的 PID 系統(tǒng)中， PID 系統(tǒng)的控制輸出分為三項(xiàng)，分別是輸入命令值和被控器反饋信號(hào)。 比例是 P，其實(shí)是輸入的偏差和一個(gè)系數(shù)相乘；積分就是用 I 來表示，然后對(duì)輸入偏差作積分；而最后的字母D 則表示微分運(yùn)算，微分算法是對(duì)輸入偏差進(jìn)行計(jì)算的。 在數(shù)據(jù)的運(yùn)算過程 中， PID 控制器可以根據(jù) 偏差 的比例、積分和微 分等三個(gè)方面來共同分析計(jì)算調(diào)控的，它在各方面的應(yīng)用上也是十分的廣泛 。 PID 控制器具有許多優(yōu)點(diǎn)： 簡單 易實(shí)現(xiàn)：并不像一些其他算法一樣，要在特定的條件下，才能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)化 的處理， PID 控制器能夠適應(yīng)各種狀態(tài)； 可在多種領(lǐng)域使用：涉及面很廣，不僅僅局限在一個(gè)很小的平臺(tái)上，能在多個(gè)領(lǐng)域方面使用，適用性強(qiáng)，因此更加的通俗易懂； 控制 的 參數(shù) 互相不干擾：雖然 PID 控制可以同時(shí)對(duì)多種數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算調(diào)節(jié)，但是難能可貴的是這些參數(shù)也不會(huì)互相滲透，導(dǎo)致一些誤差； 選取 參數(shù) 時(shí)沒那么復(fù)雜：只要按照特定的要求對(duì)參數(shù)進(jìn)行選定，就可以進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，但是這個(gè)過程并不復(fù)雜， 不僅在實(shí)際操作中，而且在 理論 方面也能夠加以證明 ， 總結(jié)得出 PID 控制器 其實(shí) 是一種優(yōu)化后的 控制。 PID 調(diào)節(jié) 的特定方法對(duì)連續(xù)運(yùn)動(dòng)下的系統(tǒng)也能 夠進(jìn)行調(diào)節(jié) ， 可以簡單的對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行整定 ， 可以根據(jù)參考物的不同靈活的變化結(jié)構(gòu) 。 然而雖然這幾種 PID 算法 不4 算很難 ， 卻是都有自己的獨(dú)特之處 ， 一般的控制都可以用這三種方法來實(shí)現(xiàn)。 2 總體設(shè)計(jì)方案 實(shí)現(xiàn)功能 本設(shè)計(jì)以 MSP430F149 作為核心處理器，采用了新型的 MPU6050 芯片來測量傾角和角加速度值，利用卡爾曼濾波和互補(bǔ)濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)測量的光電傳感器輸出脈寬值計(jì)算實(shí)時(shí)速度，通過 PID 算法 來對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并且調(diào)節(jié)好小車的動(dòng)態(tài)平衡 ，然后 按照接收到的紅外信號(hào)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，后退，停 止或轉(zhuǎn)向。 整體設(shè)計(jì)思路 紅外遙控兩輪自平衡小車要求能夠在沒有外部因素的協(xié)助的同時(shí)憑借一雙平行的車輪保持平衡，并完成一系列動(dòng)作。然而小車的兩輪要使得小車保持平衡以及直立行進(jìn)，然而車輪是由兩只直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。如果把小車作為一個(gè)整體的控制對(duì)象，則兩輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度是對(duì)該控制對(duì)象的輸入量。整個(gè)控制系統(tǒng)可以分為三大部分： (1)平衡控制： 對(duì)小車的傾角的數(shù)值進(jìn)行分析計(jì)算處理，然后驅(qū)動(dòng)小車的雙輪前后轉(zhuǎn)來保持小車的動(dòng)態(tài)平衡。 (2)速度控制： 先在保持住小車平衡的條件下，然后利用對(duì)小車傾角的調(diào)節(jié)來控制小車的速度，其 實(shí)就是利用電機(jī)來對(duì)小車的速度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。小車前傾會(huì)使小車加速，小車后傾則會(huì)讓小車減速。 (3)方向控制： 小車的轉(zhuǎn)向需要控制，但是由于沒有方向盤，而且輪子是固定住的，因此不能改變輪子的角度，所以轉(zhuǎn)向就需要利用小車兩輪的速度差。車子兩輪的驅(qū)動(dòng)是分開的，所以對(duì)左車輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)加速，右車輪速度不變，則小車向右轉(zhuǎn)向；對(duì)右車輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)加速，左車輪速度不變，則小車向左轉(zhuǎn)向。小車的車輪不僅可以控制小車的平衡，而且方向同樣可以得到控制。然而方向方面的控制并不是最主要的。 三個(gè)子系統(tǒng)既要完成自身的任務(wù)調(diào)節(jié)控制，又要與其他系統(tǒng) 進(jìn)行聯(lián)系來完成整個(gè)任務(wù)。因?yàn)槿齻€(gè)系統(tǒng)同時(shí)分析較為不便，所以在分析的時(shí)候需要分開分析，并且先忽略其他系統(tǒng)的誤差。 在分析速度控制時(shí)：先不考慮小車的現(xiàn)時(shí)狀態(tài)，假設(shè)小車是處于一個(gè)直立的狀態(tài)，并且維持住，不會(huì)前傾或后仰； 在分析小車方向控制時(shí)：可以對(duì)小車施加一個(gè)大小不變的驅(qū)動(dòng)力，讓小車達(dá)到勻速狀態(tài)，然后再考慮平衡方面的問題； 在分析小車平衡控制時(shí)：也應(yīng)該讓其他兩個(gè)方面達(dá)到相應(yīng)的要求，其中最要緊的是要能保持住小車的直立動(dòng)態(tài)平衡。 由于小車同時(shí)受到三種控制的影響，因此在一個(gè)分析其中一個(gè)控制的時(shí)候，要盡量對(duì)其5 他兩個(gè)控制進(jìn) 行調(diào)整，使得干擾減少?？梢员热缱尩缆菲交瑏碜屝≤囋谶m當(dāng)?shù)沫h(huán)境中保持速度和方向的穩(wěn)定，這樣的前提之下再來調(diào)整小車平衡。通過修改平衡控制中的小車的傾角來使得小車的速度變化，從而讓車子實(shí)際傾角改變，以至于速度方面得到控制。但是又不能一下子改變太大的傾角，因?yàn)檫@樣會(huì)使小車不能反應(yīng)過來而失敗，所以得細(xì)致的修改。平衡控制則是三種子系統(tǒng)里面最重要的一個(gè)部分，當(dāng)然也是很有難度的一個(gè)部分，得花費(fèi)時(shí)間來調(diào)節(jié)好。 圖 小車調(diào)節(jié)平衡的簡易圖 本設(shè)計(jì)包含了三大部分： （ 1）姿態(tài)讀?。? 兩輪自平衡車因?yàn)槭瞧叫械膬奢啠且粋€(gè)本身不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，因此需要對(duì)其自身不斷進(jìn)行調(diào)整，來達(dá)到并且保持平衡。所以需要不斷檢測自身實(shí)時(shí)的狀態(tài)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析之后迅速調(diào)整，才能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，因而姿態(tài)讀取是讓小車平衡的一個(gè)起始關(guān)鍵步驟。 先 模擬 IIC 通信讀取 MPU6050 的加速度以及傾角的數(shù)值，并 利用 卡爾曼濾波 算法和 互補(bǔ)濾波 算法計(jì)算分析出 更加準(zhǔn)確的小車傾角以及角加速度值。通過 MSP430 單片機(jī) Timer_A 的CAP 模式計(jì)算出光電傳感器輸出的 PWM 波脈寬值，結(jié)合對(duì)應(yīng)的柵格距離，便能得出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將 測出的 轉(zhuǎn)速 值分析之后 進(jìn)行積分 運(yùn)算，最后 得 出 電機(jī)的 相對(duì) 位移值。 在雙輪平衡車姿態(tài)檢測系統(tǒng)中，要首先能夠檢測出小車的傾斜角和傾斜的加速度，這里就會(huì)用到加速度計(jì)和陀螺儀這兩種元件，其中加速度計(jì)屬于測量加速度大小和方向的測量工具，其功能完善，可以精準(zhǔn)的測量出車體靜態(tài)時(shí)的角度，加速度計(jì)會(huì)被小車的震動(dòng)所影響到，所以當(dāng)小車在運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行測量的話可以能會(huì)有一些誤差。陀螺儀則是可以測量旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的元件，可以通過對(duì)時(shí)間積分利用角速率來得到相應(yīng)的角速度值。 為了使得更加精準(zhǔn)的對(duì)小車的現(xiàn)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行分析和處理，要對(duì)小車的傾角值、 加速度值等進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，這時(shí)實(shí)驗(yàn)者就可以使用卡爾曼濾波方法對(duì)得到的數(shù)據(jù)作最優(yōu)化的估算，能夠排除不利因素的干擾，其本質(zhì)上來講也是一種濾波的方法。在計(jì)算的過程當(dāng)中，會(huì)不斷的進(jìn)行遞歸運(yùn)算，算出最優(yōu)的值后停止。 車體直立 車輪勻速前進(jìn) 車體向左 車輪向左加速度前進(jìn) 車體向右 車輪向右加速度前進(jìn) 6 （ 2）接收信號(hào)： 打開電源之后，小車開始運(yùn)行，這時(shí)候 紅外接收頭 如果 接收到來自紅外遙控器的信號(hào)，將會(huì) 產(chǎn)生 一個(gè) 下降沿 的 信號(hào)， MCU 便進(jìn)入下降沿中斷程序，讀取紅外線碼值 分析之后來控制左右電機(jī)速度的增加和減少 。 紅外接收信號(hào)的同時(shí)要保證對(duì)數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性。 （ 3）電機(jī)控制： 小車在運(yùn)行的時(shí)候，如果發(fā)生了車體前傾或者后 仰，系統(tǒng)采用 PID 控制算法以及卡爾曼濾波算法對(duì)小車傾斜角度、偏轉(zhuǎn)角速度、車體行走速度和瞬時(shí)位置等參數(shù)值進(jìn)行整合、分析、計(jì)算，然后通過輸出 PWM 信號(hào)，從而使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使得小車在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中能夠產(chǎn)生力矩，來使小車達(dá)到預(yù)期的平衡效果。 兩輪自平衡小車為了在直立的位置相對(duì)的穩(wěn)定下來，就需要對(duì)其加入額外的力，讓恢復(fù)力與移動(dòng)的方向相反，來運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，讓小車的車輪產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)的加速度，然后小車將會(huì)由于慣性作用恢復(fù)到平衡的位置上。 然而，我們不單單需要小車能夠達(dá)到平衡的位置，并且需要讓小車能夠在平衡的位置穩(wěn)定住，所 以我們還需要增加一個(gè)力來輔助，那就是阻尼力，其中小車系統(tǒng)里面本身就存在了一些阻尼力，如：摩擦力、空氣阻力等，所以這時(shí)候的相對(duì)的阻尼力其實(shí)并不大，不過為了保持對(duì)誤差的減少，保證對(duì)小車控制的精準(zhǔn)度，所以還要另外增加額外的阻尼力來參與其中保持小車的穩(wěn)定。 小車應(yīng) 對(duì)采集到各項(xiàng)的數(shù)據(jù)采用 PID 算法得出左右電機(jī)相應(yīng)的 PWM 占空比數(shù)值，由MSP430F149 單片機(jī)核心模塊 在 比較分析之后 輸出 PWM 波， 然后利用 L298N 驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)小車達(dá)到預(yù)期的要求 。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 紅外遙控兩輪自平衡小車的控制系統(tǒng)主要由以下一些模塊組成： 單片機(jī)主控模塊：利用了功耗相對(duì)低的 MSP430 單片機(jī)的最小系統(tǒng)作為核心控制； 紅外遙控器 電源模塊 MSP430F149 單片機(jī) 紅外線接收頭 雙軸減速電機(jī) MPU6050 模塊 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 光電測速傳感器 電源模塊 6V 7 紅外遙控模塊：主要是給小車輸送一個(gè)信號(hào)，由接收模塊進(jìn)行接收； 紅外接收模塊：檢測車體實(shí)時(shí)的傾角和加速度等值 電源模塊：給系統(tǒng)施加電壓，來給予動(dòng)力； 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：根據(jù)所得的數(shù)據(jù)利用 L298N 來對(duì)電機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)操控； 光電測速模塊：通過光電傳感器來測量電機(jī)的現(xiàn)時(shí)轉(zhuǎn)速； 陀螺儀平衡模塊：對(duì)小車的現(xiàn)時(shí)狀態(tài)檢測并且運(yùn)算之后保持小車的平衡。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如 圖 所示。 3 主要原件介紹 MSP430單片機(jī) MSP430 系列單片機(jī) 是美國德州儀器在 20 世紀(jì)末期開始發(fā)行的一個(gè)產(chǎn)品，該單片機(jī)是 16位，功耗方面很低，具有豐富的精簡指令 ［５］ ，其實(shí)因?yàn)樗墓δ荦R全，能夠適應(yīng)很多方面的實(shí)際需求，所以是一種混合型的微型芯片，相較其他的芯片，它也具有很多不錯(cuò)特點(diǎn)： （ 1）處理能力強(qiáng)： MSP430 單片機(jī) 占 16 位， 雖然功能方面很受大家的認(rèn)可，但是它結(jié)構(gòu)卻不復(fù)雜 ， 在尋址方面也各式各樣，在其內(nèi)部的核心指令也簡單易懂，然后內(nèi)部進(jìn)行的模擬指令同樣不麻煩 ；該芯片為了能夠試用于各 種運(yùn)算，所以內(nèi)部集成了很多 寄存器 和單片機(jī)內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 存儲(chǔ)的 器 件 ； 它的查表處理指令也是特別的效率，源程序因?yàn)橛羞@些優(yōu)勢能夠很好的編出來。 （ 2）運(yùn)算速度快： MSP430 單片機(jī) 指令周期為 40ns，數(shù)字信號(hào)處理算法可以由本芯片的 數(shù)據(jù)寬度、指令周期和各種用處 的硬件乘法器相配合 來共同實(shí)現(xiàn) ［６］ 。 （ 3）超低功耗： MSP430 單片機(jī) 在降低芯片電源電壓和對(duì)運(yùn)行時(shí)鐘控制方面很有優(yōu)勢，所以也就造就了其很低的功耗，減少了許多能量的損失 。 MSP430 單片機(jī)的電源電壓 不是很高，因此即使在很低頻率 的時(shí)鐘條件下 也可以正常 運(yùn)行， 不 過此時(shí)它 的電流 會(huì)到達(dá)最低點(diǎn)，數(shù)值大致為 165μA。MPS430 單片機(jī)包括了兩個(gè)不同的 時(shí)鐘系統(tǒng) ，它引起的 CPU 和 各 方面 所 要 的 部分系統(tǒng)，而且它們能夠通過下達(dá)命令 ， 進(jìn)行啟動(dòng)和關(guān)閉 ， 這樣總體的消耗將會(huì)在一個(gè)可控制的范圍內(nèi) 。 而且 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)功能模塊 開啟不一樣 ， 也就是 不 一樣 的工作 方式 ，芯片的功耗 也會(huì)因此大不一樣 。 （ 4）片內(nèi)資源豐富： MSP430 單片機(jī) 包含了許多片內(nèi)外設(shè)，許多外圍模塊在其中構(gòu)成了不一樣的組合，例如：看門狗 、 模擬比較器 A、定時(shí)器 A0、定時(shí)器 A定時(shí)器 B0、 UART、 SPI、 I2C、 硬件乘法器 、液晶驅(qū)動(dòng)器、 10 位 /12 位 ADC、 16 位 ΣΔ ADC、 DMA、 I/O 端口、基本定時(shí)器、 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 和USB 控制器等 ［７］ 。 首先， 看門狗 的功能跟它的名字有關(guān)，當(dāng)程序不在規(guī)定的方向運(yùn)行的時(shí)候，可以讓程序迅速復(fù)位 ，到達(dá)穩(wěn)定的位置 ； 8 模擬比較器 是用比較模擬電壓的大小方向的，可以跟 定時(shí) 計(jì)部件一起使用 ， 能表達(dá) 出 A/D 轉(zhuǎn)換器 ［８］ ； 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 分別是 Timer_A 和 Timer_B，當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)的時(shí)候，它們可以截住數(shù)據(jù)然后進(jìn)行比對(duì) ， 該部件可以在多處運(yùn)用 ； 還有部分 器件 能 實(shí)現(xiàn)異步、同步 和 多址訪問串行 通信接口 等功能，這樣能便捷 的 讓 多機(jī)通信等 功能實(shí)現(xiàn) ； 另外該芯片中還有不少 I/O 端口， P0、 P P2 端口 可以收到 外部上升沿 或 下降沿中斷輸入； 10/12 位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率 很高 ， 其數(shù)值可以到 200kbps， 可以讓大部分 數(shù)據(jù)采集應(yīng)用 使用 ； 而且可以 驅(qū)動(dòng) 超過 160 段 的液晶 ； 讓 兩路 中 12 位 D/A 變化能夠成功運(yùn)行 ； 硬件 方面 I2C 總 數(shù)據(jù) 線 接口端可以對(duì) 存儲(chǔ)器串行 進(jìn)行 擴(kuò) 容 ； DMA 部件可以對(duì)所得到的數(shù)據(jù)的運(yùn)輸進(jìn)行加速 。 MSP430 單片機(jī)的 這些子系統(tǒng)為了達(dá)到各種功能而表現(xiàn)出了很好的適應(yīng)性 。 還有一個(gè)方面， MSP430 單片機(jī) 里面包含了不少能夠使得數(shù)據(jù)斷開的源頭 ， 而且能用來隨意在其他部分進(jìn)行使用 ， 在運(yùn)用的時(shí)候迅速快捷，速度很快，從省電模式下重新啟動(dòng)只要短短的 5μs。 （ 5）方便高效的開發(fā)環(huán)境： MSP430 單片機(jī)因?yàn)樯碳业闹谱魇侄尾灰粯?，而?