【正文】 定運動。采用的方法就是不斷地調整小車的姿態(tài)使其達到動態(tài)平衡。原理如圖 11 所示： 圖11 動態(tài)平衡原理示意圖因此在運動中需要利用傳感器檢測當前的姿態(tài)(使用加速度傳感器和陀螺儀進行信號收集,并對兩個傳感器的數(shù)據有效融合和估計,用加速度傳感器長時間穩(wěn)定的特性彌補陀螺儀的零點漂移及 A/D 采樣值單調性誤差積累增長)，將當前的姿態(tài)信息反饋到單片機,然后由單片機給出控制信號來控制電機轉動以此實現(xiàn)平衡?？刂撇捎?PID 控制，核心內容是 PID 控制參數(shù)的整定，這部分內容需要不斷的調試和更改，根據實際的情況可以設置出最穩(wěn)定的參數(shù)。 國內外同類設計的概況綜述在兩輪自平衡小車的研究上，國外的專家和愛好者們取得了一系列的成果，以下介紹國外幾個比較先進的兩輪自平衡小車：由瑞士聯(lián)邦技術學院工業(yè)電子實驗室的研究人員研制的名為 JOE 的基于倒立擺的小型自平衡兩輪車模型，是由 DSP 芯片進行控制的。它由車架上方所附的重物模擬實際車中的駕駛者。研究人員通過陀螺儀和光電編碼器測量的數(shù)據，用線性狀態(tài)反饋控制器來控制整個系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定。由美國發(fā)明家 DeanKamen 開發(fā)的‘SEGWA39。YliT’兩輪個人交通工具則是一個更為實用、成熟以及商業(yè)化的兩輪運載車的版本。它使用了五個陀螺儀和一個收集其他角度傳感器數(shù)據的集成器來保持自身的直立狀態(tài)。小車只需其中的三個陀螺儀就可以控制整個系統(tǒng)的平衡，而另外的兩個則是為安全可靠作為備用。我國在此方面的研究也取得了很大的成就：中國科學技術大學研究出了自平衡兩輪代步電動車，它是一種兩輪式左右并行布置結構的具有自平衡系統(tǒng)的電動車。在車體內嵌入式 CPU 的控制下，采集平衡傳感器以及速度、加速度傳感器的數(shù)據，通過一定的控制算法，計算輸出 PWM 信號控制兩個伺服電機的轉矩，使車體保持平衡并能夠根據人體重心的偏移，自動前進、后退及轉彎。哈爾濱工程大學也有類似的雙輪直立自平衡機器人，該系統(tǒng)采用兩塊 Cygnal公司推出的單片機和人機交互的上位機作為控制核心。車體傾斜角度檢測采用 AD 公司推出的雙軸加速度傳感器 ADXL202 及反射式紅外線距離傳感器。利用 PWM 技術動態(tài)控制兩臺直流電機的轉速。上位機與機器人間的數(shù)據通信采用迅通生產的 PTR2000 超小型超低功耗高速無線收發(fā) MODEM。人機交互界面采用 240*128 圖形液晶點陣、方向搖桿及按鍵?；谶@些完備而可靠的硬件設計，使用了一套獨特的軟件算法，實現(xiàn)了該系統(tǒng)的平衡控制。 設計要求與內容開發(fā)一種兩輪自平衡機器人實驗平臺的控制軟件。使用 AVR ATMEGA 328P 單片機作為控制器，使用加速度、角速度傳感器估計車體姿態(tài)，設計控制算法對兩輪電機進行實時控制，使機器人在保持平衡的基礎上按照指令進行運動。機器人在運動的同時，通過無線通訊模塊與 PC 機通訊，發(fā)送自身狀態(tài)、接受軌跡指令。并能達到以下要求：，傾角范圍 177。5176。之間；；；。 第2章 總體硬件方案設計 總體分析自平衡車系統(tǒng)的功能模塊主要包括:控制核心(MCU)模塊、電源管理模塊、電機驅動模塊、速度檢測模塊及調試輔助模塊。每個模塊都包括硬件和軟件兩部分。硬件為系統(tǒng)工作提供硬件實體，軟件為系統(tǒng)提供各種算法。設計系統(tǒng)包括：第一是雙輪平衡車的機械結構設計，由兩輪自平衡小車的機械結構搭建工作平臺、承載硬件電路。其中包括車身上支架、下平臺等；第二是硬件電路設計，涵蓋包括電源、嵌入式微控制器、傳感器、電機和控制電路、數(shù)據通信的綜合系統(tǒng)；第三是平衡控制器模塊，要求自平衡、數(shù)據采集、手動控制裝置等；第四是雙輪平衡車的軟件設計及調試控制，按既定要求寫出控制程序，解決運動狀態(tài)下如何保持車體系統(tǒng)平衡的問題。該系統(tǒng)主要實現(xiàn) 3 個部分：第一是小車的硬件設計，一個好的硬件構架可以減少不必要的調試麻煩；第二是平衡信號檢測處理，要求傳感器檢測系統(tǒng)要能快速檢測到傾斜信號，保證小車靜止平衡和傾斜情況之后的調節(jié)能力；第三是單片機通過對檢測到的信號進行分析處理，通過相應的 C 語言程序來實現(xiàn)。功能模塊包括：傳感器部分，三軸加速度傳感器和陀螺儀等。為電機控制提供準確的速度方向反饋。電源部分，可靠的電源管理模塊?？刂?MCU 部分，最小系統(tǒng)模塊和 PWM 電機驅動模塊。使用單片機 AVR ATMEGA 328P，完成采集信號的處理和控制信號的輸出。調試部分,方便進行速度方向數(shù)據修正。根據預設要求，設計車模控制系統(tǒng)的電路時，首先需要分析系統(tǒng)的輸入、輸出信號，然后由事先選定的核心控制嵌入式計算機（單片機）AVR ATMEGA 328P，逐步設計各個電路子模塊，最后形成完整的控制電路。 總體方案設計經過以上的分析，系統(tǒng)的輸入輸出包括：（1）AD 轉換接口（至少 4 路）陀螺儀：一路，測量陀螺儀輸出電壓。加速度計：一路，測量加速度 Z 軸輸出電壓。輔助調試：（備用）1 到 3 路，用于車模調試、設置作用。（2） PWM 接口（4 路），控制左右兩個電極雙方向運行，需要四路 PWM 接口。（3） 定時器接口（2 路），測量兩個電機轉速，需要兩個定時器脈沖輸入端口。（4） 通訊接口（備用）SCI （UART）：一路，用于程序下載和調試接口；I2C ：（備用）如果選擇飛思卡爾公司的數(shù)字加速度計，可以通過 I2C 接口直接讀取加速度值。（5） IO 接口（備用），4 到 8 路輸入輸出，應用車模運行狀態(tài)顯示，功能設置等。由 I/O 接口分布可將控制電路分為以下子模塊：（1） 單片機最小系統(tǒng)：包括單片機，程序下載調試接口等；（2） 陀螺儀與加速度計：包括兩個姿態(tài)傳感器信號放大濾波電路；（3） 電機驅動：驅動兩個電機運行電路；（4） 電源：電源電壓轉換、穩(wěn)壓、濾波電路；（5） 設置與調試：顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)、速度設定、程序下載與監(jiān)控。根據實驗室的資源以及查詢資料確定本次設計的方案為：姿態(tài)檢測模塊：采用 BMA180 加速度傳感器，ITG3205 三軸數(shù)字陀螺儀來獲取小車的姿態(tài)?？刂坪诵哪K：arduino 單片機最小系統(tǒng)，采用 8 位 AVR 單片機 ATMEGA 328P。電機驅動模塊：兩片 Freescale MC33886 電機驅動芯片，分別驅動兩個電機。2342 編碼器兩個。電源管理模塊：采用 9V 鋰電池直接驅動電機，兩片 GM1117 電平轉換芯片輸出一路 電壓，一路 電壓驅動單片機和姿態(tài)檢測芯片。 方案框圖根據分析，繪制出總體方案框圖如圖 21：圖 21 總體方案框圖 第3章 單元模塊設計 姿態(tài)檢測模塊姿態(tài)檢測模塊負責將車體的姿態(tài)信息反饋至單片機，是整個硬件設計的核心內容。為了能夠準確獲取小車當前的姿態(tài)信息，姿態(tài)檢測模塊采用了陀螺（ITG3205）+加速度傳感器(BMA180)相結合的方式。 模塊工作原理高速旋轉的物體的旋轉軸，對于改變其方向的外力作用有趨向于鉛直方向的傾向。而且，旋轉物體在橫向傾斜時，重力會向增加傾斜的方向作用，而軸則向垂直方向運動，就產生了搖頭的運動也就是歲差運動。當陀螺經緯儀的陀螺旋轉軸以水平軸旋轉時，由于地球的旋轉而受到鉛直方向旋轉力，陀螺的旋轉體向水平面內的子午線方向產生歲差運動。當軸平行于子午線而靜止時可加以應用。目前的加速度傳感器有多種實現(xiàn)方式，主要可分為壓電式、電容式及熱感應式三種，這三種技術各有其優(yōu)缺點。以電容式 3 軸加速度計的技術原理為例。電容式加速度計能夠感測不同方向的加速度或振動等運動狀況。其主要為利用硅的機械性質設計出的可移動機構，機構中主要包括兩組硅梳齒（Silicon Fingers），組固定，另一組隨即運動物體移動；前者相當于固定的電極，