【正文】 機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 題 目： 基于視覺導(dǎo)航兩輪平衡車 的 設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 機(jī)械電子工程 班 級： 11 機(jī)械電子工程 113班 姓 名： 程 偉 學(xué) 號： 2206110103 指導(dǎo)教師： 姚 智 華 日 期： 基于視覺導(dǎo)航兩輪平衡車的設(shè)計(jì) 摘 要： 本論文 旨在研制一種 單 軸雙輪平衡車并實(shí)現(xiàn) 視覺導(dǎo)航 輔助駕駛 。 該系統(tǒng) 的研究分為兩部分 ， 第一部分就是 通過 姿態(tài)傳感器和姿態(tài)算法，補(bǔ)償陀螺儀漂移 誤差和加速度計(jì)動(dòng)態(tài)噪聲誤差 得到 系統(tǒng)角度角速度 以 達(dá)到平衡 直立 的目的 ；第二部分就是關(guān)于 機(jī)器 視覺的研究和視覺導(dǎo)航和輔助駕駛。 第一部分 ： 雙輪 平衡車 實(shí)現(xiàn) 原理就是通過系統(tǒng)的姿態(tài)傳感器（陀螺儀和加速度計(jì)） 監(jiān)測車 體 當(dāng)前的 俯仰狀態(tài) 和俯仰變化率狀態(tài) （即為 角度和角度度） ， 由 MCU 計(jì)算 處理驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)向前或者向后 的 加速度 實(shí)現(xiàn) 車體平衡的效果。 對于 姿態(tài)監(jiān)測，單獨(dú)使用角速度傳感器（陀螺儀）或者加速度傳感器 都是 不能 提供 有效的信息保持車體直立， 本論文 基于互補(bǔ)濾波通過 角速度 傳感器和加速度傳感器進(jìn)行 角度 融合，補(bǔ)償陀螺儀漂移和加速度傳感器動(dòng)態(tài)噪聲 ， 估計(jì)最優(yōu) 俯仰 狀態(tài) 。 對于車 體 的 直立控制、 速度 控制 和 方向控制 ， 我們都要求準(zhǔn)確 性、 穩(wěn)定性、強(qiáng)勁性 等 特點(diǎn)，應(yīng)用最普遍的就是 PID算法 。 本論文通過車 體當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下的直立偏差、速度偏差、方向偏差 的 比例、積分和微分 （即為 PID 調(diào)節(jié)器） ， 配合控制 理論 線性系統(tǒng) 疊加原理最終 對車體的左右電機(jī)進(jìn)行控制。 第二 部分： 本論文 通過 CMOS攝像頭 采集路況 實(shí)時(shí) 信息 ， 并對實(shí)時(shí)路況信息進(jìn)行運(yùn)算處理，識別出道路元素 最終 以 車體 轉(zhuǎn)向的方式 達(dá)到 視覺導(dǎo)航。 關(guān)鍵字 ： 平衡車 陀螺儀 加速度 計(jì) 互補(bǔ) 濾波 PID CMOS 目錄 一、緒論： ............................................................................................................ 4 ： .............................................................................................. 4 ： .............................................................................................. 4 ： .............................................................................................. 4 ： ................................................................................... 4 ： ................................................................................... 6 ： .............................................................................. 8 二、整體方案設(shè)計(jì)： ............................................................................................ 8 ： .............................................................................................. 9 ： ............................................................................................ 10 ： ................................................................................. 10 ： ......................................................................... 11 電源設(shè)計(jì)： ........................................................................ 12 JTAG 電 路設(shè)計(jì)： ....................................................... 13 ： ......................................................... 14 ： ..................................................... 17 ： .......................................................... 20 ： ............................................................................................ 22 需要使用的資源配置： .................................................... 22 （ Pulse Width Modulation）輸出模塊： ......................... 23 ： ..................................................... 25 ： ............................................................. 27 平衡控制模塊： ............................................. 28 ： ..................................................... 39 ： .............................. 49 ： ................................................ 54 三、總結(jié)與致謝： .............................................................................................. 58 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................. 59 一、 緒論 ： 隨著國 民生活 質(zhì)量的提高 、國 內(nèi)高新技術(shù)的發(fā)展，特別是嵌入式技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展 ， 人民迫切 希望 更加智能 更加 方便的交通工具 得到 發(fā)明。 為此， 本論文研究一種 單 軸雙輪平衡代步車以及視覺導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)輔助駕駛。 研究 背景： 近年 來，國內(nèi)機(jī)器人技術(shù)空前發(fā)展，機(jī)器人 應(yīng)用 的領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大， 當(dāng)然機(jī)器人所面臨的環(huán)境和所需要執(zhí)行的任務(wù)也是越來越復(fù)雜 。 特別是在 一些 危險(xiǎn)地帶或者空間狹小 人類 無法觸及的地方，機(jī)器人是一個(gè)很好的選擇 。 無論 是 因?yàn)?何種目的而設(shè)計(jì)的機(jī)器人都是朝著人民 生活 水平不對安提高的層次進(jìn)行，為此一種兩輪平衡代步車的概念被提出。 研究 意義： 兩輪 代步車是一個(gè) 多變量 、非線性的復(fù)雜不穩(wěn)定系統(tǒng)。其運(yùn)動(dòng)環(huán)境復(fù)雜、 運(yùn)動(dòng) 學(xué)方程非完整約束，控制 任務(wù) 具有一定的復(fù)雜性 。 但是雙輪代步車 具有 結(jié)構(gòu)簡單 、 運(yùn)動(dòng)靈活、適合在小空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)等特點(diǎn)， 具有 一定的應(yīng)用前景 。 為了 讓代步車朝著智能化 發(fā)展 ，迫切需求 其 可以輔助駕駛，甚至自動(dòng)駕駛，為此 我們需要研究機(jī)器視覺及圖像處理方面的理論。 現(xiàn)狀 分析： 國外 現(xiàn)狀： 20xx年 ，沒過 Lego 公司設(shè)計(jì)了 Legway。引入了電機(jī)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)，可以再斜面或者不規(guī)則表邊上運(yùn)動(dòng) 。 可以遙控操作，通過對電機(jī)的遙控可以再運(yùn)動(dòng)的時(shí)候保持平衡并可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。 20xx年 ，日本早稻田大學(xué) 研制出 了 NXTway。 20xx年，美國 Segway公司開發(fā)了世界上第一部能夠自平衡的兩輪電動(dòng)車。 該電動(dòng)車精心設(shè)計(jì) 了機(jī)械機(jī)構(gòu) 并通過檢測車體的角度和角速度，通過 CPU處理運(yùn)算控制電機(jī)前后加速運(yùn)動(dòng)的 回復(fù) 力保持 車體 平衡 。 Segway 使用的是航空級陀螺儀、一組傾斜傳感器、一套復(fù)雜的“直覺軟件”、一個(gè)加速度計(jì)、十個(gè)微處理器、兩個(gè)鎳氫電池組、一臺電動(dòng)機(jī)和每秒檢測一百多次駕駛者重心的傳感器。Scgway 共有五個(gè)陀螺儀傳感器，其中三個(gè)來檢測前、后和左右方向的傾斜，另外兩個(gè)傳感器作為冗余，以增加安全性。傳感器收集的信息被傳送到主控芯片，它由兩個(gè)電子控制器電路板構(gòu)成。電路板包括一個(gè)微處理器的集群 (德州儀器的DSP芯片 )。這種集群的運(yùn)算效率是普通 PC 的三倍，以保證車身能得到及時(shí)而高度精確的微調(diào)來防止傾倒。如果一個(gè)電路板出了毛病，另一個(gè)會(huì)立即接管所有的功能，以便讓駕駛者能夠安全地停下。在最高層次，主控芯片運(yùn)行“直覺軟件”控制 Segway，軟件會(huì)實(shí)時(shí)分析所有信息，調(diào)整電動(dòng)機(jī)的速度。 國內(nèi) 現(xiàn)狀： 中國科學(xué)技 術(shù)大學(xué)研究出了自平衡兩輪代步電動(dòng)車，它是一種兩輪式左右并行布置結(jié)構(gòu)的具有自平衡系統(tǒng)的電動(dòng)車。在車體內(nèi)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(jù)，通過一定的控制算法，計(jì)算輸出PWM 信號控制兩個(gè)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，使車體保持平衡并能夠根據(jù)人體重心的偏移，自動(dòng)前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)彎。 哈爾濱工程大學(xué)也有類似的雙輪直立自平衡機(jī)器人，該系統(tǒng)采用兩塊 Cygnal公司推出的 C8051單片機(jī)和人機(jī)交互的上位機(jī)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(shù)動(dòng)態(tài)控制兩臺直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。上位機(jī)與機(jī)器人間的數(shù)據(jù)通信采用迅通生產(chǎn)的 PTR20xx超小型超低功耗高速無線收發(fā) MODEM。人機(jī)交互界面采用240*128圖形液晶點(diǎn)陣、方向搖桿及按鍵?；谶@些完備而可靠的硬件設(shè)計(jì)，使用了一套獨(dú)特的軟件算法，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的平衡控制。 同時(shí) ，關(guān)于輔助駕駛技術(shù)，國內(nèi)也有很好的發(fā)展 。 遠(yuǎn)光燈輔助系統(tǒng) ： 當(dāng)攝像系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)前方 800m 內(nèi)沒有其他車輛時(shí)，則自動(dòng)地轉(zhuǎn)換到遠(yuǎn)光燈行駛。若再次有車輛進(jìn)入這一范圍時(shí)，則遠(yuǎn)光燈的照射距離又會(huì)自動(dòng)縮小。 車道偏離報(bào)警和車速限制識別系統(tǒng) ：在車速監(jiān)控中，計(jì)算機(jī)根據(jù)攝像數(shù)據(jù)提供路邊限速標(biāo)志的圖像。它檢測樹立在路邊的所有圓形標(biāo)牌，而把不是圓形的標(biāo)牌圖像過濾掉，然后對剩下的圖像數(shù)據(jù)與保存的限速標(biāo)志圖像進(jìn)行對比，最后只留下帶有車速限制的交通標(biāo)志。 輔助系統(tǒng)馬上把車速限制的圖像顯示出來，而且顯示的時(shí)間長短根據(jù)限速標(biāo)志的有效區(qū)間而定。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的電子地圖上，將對各個(gè)居民點(diǎn)進(jìn)行測定，當(dāng)檢測到進(jìn)入居民點(diǎn)后即自動(dòng)地顯示出允許的車速，如 50km/h—— 即使是沒有明顯的限速標(biāo)志時(shí)。 車道偏離報(bào)警系統(tǒng)用攝像機(jī)不斷地采集著道路標(biāo)線。車載計(jì)算機(jī)計(jì)算著車輛的位置，并 判斷車輛是否會(huì)偏離車道。當(dāng)駕駛員感覺到手中的方向盤在振動(dòng)時(shí)，表示車道偏離系統(tǒng)在報(bào)警。 本論文 研究的內(nèi)容 ： 系統(tǒng) 硬件 選擇 電路原理圖搭建 。 電機(jī) 控制 技術(shù) PWM和算法 PID的研究 和在 平衡車系統(tǒng)中 的應(yīng)用 。 姿態(tài) 傳感器的使用，包括陀螺儀加速度 計(jì) 的 介紹 和使用方法的研究。 姿態(tài) 算法的研究，包括互補(bǔ)濾波將傳感器數(shù)據(jù)融合得到可靠的傾角估計(jì)的 算法 研究。 CMOS攝像頭的介紹和使用 以及 算法的研究。 CMOS攝像頭在視覺導(dǎo)航中的使用及研究。 系統(tǒng)