【正文】 常熟理工學院畢業(yè)設計（論文） 本科畢業(yè)設計（論文）題目 兩輪自平衡小車的設計 學 院 電氣與自動化工程學院 年 級 專 業(yè) 班 級 學 號 學生姓名 指導教師 職 稱 論文提交日期 兩輪自平衡小車的設計摘要近年來，兩輪自平衡車的研究與應用獲得了迅猛發(fā)展。本文提出了一種兩輪自平衡小車的設計方案，采用陀螺儀ENC03以及MEMS加速度傳感器MMA7260構(gòu)成小車姿態(tài)檢測裝置，使用卡爾曼濾波完成陀螺儀數(shù)據(jù)與加速度計數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)融合。系統(tǒng)選用飛思卡爾16位單片機MC9S12XS128為控制核心，完成了傳感器信號的處理，濾波算法的實現(xiàn)及車身控制，人機交互等。整個系統(tǒng)制作完成后，各個模塊能夠正常并協(xié)調(diào)工作，小車可以在無人干預條件下實現(xiàn)自主平衡。同時在引入適量干擾情況下小車能夠自主調(diào)整并迅速恢復穩(wěn)定狀態(tài)。小車還可以實現(xiàn)前進，后退，左右轉(zhuǎn)等基本動作。關(guān)鍵詞：兩輪自平衡 陀螺儀 姿態(tài)檢測 卡爾曼濾波 數(shù)據(jù)融合53Design of TwoWheel SelfBalance VehicleAbstractIn recent years, the research and application of twowheel selfbalanced vehicle have obtained rapid development. This paper presents a design scheme of twowheel selfbalanced vehicle. Gyroscope ENC03 and MEMS accelerometer MMA7260 constitute vehicle posture detection device. System adopts Kalman filter to plete the gyroscope data and accelerometer data fusion.，and adopts freescale16bit microcontrollerMC9S12XS128 as controller core. The center controller realizes the sensor signal processing the sensor signal processing, filtering algorithm and body control, humanmachine interaction and so on.Upon pletion of the entire system, each module can be normal and to coordinate work. The vehicle can keep balancing in unmanned condition. At the same time, the vehicle can be adjusted independently then quickly restore stability when there is a moderate amount of interference. In addition, the vehicle also can achieve forward, backward, left and right turn and other basic movements.Key Words: TwoWheel SelfBalance。 Gyroscope。 Gesture detection。 Kalman filter。 Data fusion目 錄 1 1 2 2 2 2 3 3 3 5 5 5 6 6 9 PID控制器設計 10 PID控制器原理 10 PID控制器設計 11 12 12 13 14 16 17 MC9SXS128單片機介紹 17 19 電源管理模塊設計 21 22 22 22 23 24 驅(qū)動電路設計 24 25 25 編碼器電路設計 26 27 27 28 28 28 28（ATD）初始化 29（SCI）初始化設置 30 31 PWM模塊初始化 32 32 32 34 35 37 395. 系統(tǒng)調(diào)試 40 40 40 41 44 44 456. 總結(jié)與展望 46 總結(jié) 46 展望 46參考文獻 47附 錄 48附錄一 系統(tǒng)電路原理圖 48附錄二 系統(tǒng)核心源代碼 49致謝 52常熟理工學院畢業(yè)設計（論文）近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展與進步，移動機器人的研究不斷深入，成為目前科學研究最活躍的領(lǐng)域之一，移動機器人的應用范圍越來越廣泛，面臨的環(huán)境和任務也越來越復雜，這就要求移動機器人必須能夠適應一些復雜的環(huán)境和任務。比如，戶外移動機器人需要在凹凸不平的地面上行走，有時環(huán)境中能夠允許機器人運行的地方比較狹窄等。如何解決機器人在這些環(huán)境中運行的問題，逐漸成為研究者關(guān)心的問題。兩輪自平衡機器人的概念正是在這樣一個背景下提出來的，這種機器人區(qū)別于其他移動機器人的最顯著的特點是：采用了兩輪共軸、各自獨立驅(qū)動的工作方式(這種驅(qū)動方式又被稱為差分式驅(qū)動方式)，車身的重心位于車輪軸的上方，通過輪子的前后移動來保持車身的平衡，并且還能夠在直立平衡的情況下行駛。由于特殊的結(jié)構(gòu)，其適應地形變化能力強，運動靈活，可以勝任一些復雜環(huán)境里的工作。兩輪自平衡機器人自面世以來，一直受到世界各國機器人愛好者和研究者的關(guān)注，這不僅是因為兩輪自平衡機器人具有獨特的外形和結(jié)構(gòu)，更重要的是因為其自身的本質(zhì)不穩(wěn)定性和非線性使它成為很好的驗證控制理論和控制方法的平臺，具有很高的研究價值。早在1987年，日本電信大學教授山藤一雄就提出了兩輪自平衡機器人的概念。這個基本的概念就是用數(shù)字處理器來偵測平衡的改變，然后以平行的雙輪來保持機器的平穩(wěn)[1][2]。本世紀初瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學的Joe、美國的SegwayN等兩輪自平衡機器人相繼問世，世界各國越來越多的機器人愛好者和研究者開始關(guān)注兩輪自平衡機器人。美國發(fā)明家狄恩?卡門與他的DEKA研發(fā)公司研發(fā)出了可以用于載人的兩輪自平衡車命名為賽格威，并已投入市場。由于兩輪自平衡車有著活動靈便，環(huán)境無害等優(yōu)點，其被廣泛應用于各類高規(guī)格社會活動，目前該車已用于奧運會以及世博會等大型場合。當今唯一市場化的兩輪自平衡電動車，如圖11所示，在2002年上市以來就備受各界的關(guān)注?？ㄩT觀察人類走路的姿勢特性，領(lǐng)悟到其實人類之所以可以平穩(wěn)地直立行走，是因為體內(nèi)靈敏的平衡器官可以精確地判斷出身體重心的改變量，透過小腦的即時反應，然后利用腿部的肌肉即時出力來平衡傾倒的態(tài)勢。所以當人類的身體前傾時，這種不自主的反應會促使人類伸出其中的一只腳往前走來平衡身體，所以透過這種前傾、往前踏腳、前傾、往前踏腳的動作循環(huán)，即構(gòu)成了“步行”這種動作。因此卡門嘗試使用精密的陀螺儀來代替人類的前庭與耳蝸等平衡器官，以電動馬達與車輪代替人類的雙腳，發(fā)展出所謂的“動態(tài)穩(wěn)定概念[3]。圖11 Segway兩輪自平衡車兩輪自平衡車的系統(tǒng)設計包括：車身機械結(jié)構(gòu)設計，硬件系統(tǒng)設計和軟件系統(tǒng)設計。在機械結(jié)構(gòu)上保持小車重心的穩(wěn)定性，才能減少控制系統(tǒng)由于車身機械結(jié)構(gòu)的不合理性而造成的控制復雜化；硬件系統(tǒng)必須包含自平衡車所需的所有電子系統(tǒng)與電氣設備；軟件系統(tǒng)則具體負責車身平衡控制。系統(tǒng)模型的建立，有助于控制器設計，以及控制系統(tǒng)各項參數(shù)的確定。系統(tǒng)數(shù)學模型建立的重點在于動力學方面，主要采用拉格朗日動力學方程以及牛頓力學定律的方法。然而通常的動力學建模方法沒有考慮電機轉(zhuǎn)動，車身震動對模型的影響。并且兩輪子平衡車是本質(zhì)不穩(wěn)定的非線性系統(tǒng)，因此建模必須考慮線性化問題。兩輪子平衡車通過姿態(tài)檢測系統(tǒng)來實時檢測車身姿態(tài)及運動狀態(tài)，并根據(jù)姿態(tài)信息對小車進行控制。因此，對于兩輪自平衡車來說，能夠精確并穩(wěn)定的檢測當前車身傾角，是實現(xiàn)有效控制的關(guān)鍵所在。目前有多重技術(shù)可以實現(xiàn)傾角檢測，但是實時性，經(jīng)濟性還不夠理想。采用MEMS(MicroElectroMechanical System，微機電系統(tǒng))陀螺儀和加速度計等慣性傳感器構(gòu)成的姿態(tài)檢測系統(tǒng)可以實時、準確的檢測兩輪自平衡車的傾角。但是由于慣性傳感器自身固有特性，隨著溫度，震動等外界變化，會產(chǎn)生不同程度的漂移與噪聲，因此必須使用一些濾波算法，對陀螺儀和加速度計采集的數(shù)據(jù)進行融合，使測量角度更加真實穩(wěn)定。兩輪自平衡車屬于本質(zhì)不穩(wěn)定系統(tǒng)，因此其實現(xiàn)的平衡是一種動態(tài)平衡。在遇到外界干擾如何快速恢復，保持自平衡等問題是控制算法需要考慮的問題。傳統(tǒng)的PID控制在各類工業(yè)場合有著廣泛的應用，完全可以滿足兩輪自平衡車的控制系統(tǒng)要求。當然，也可以采用各類先進的控制算法，諸如基于狀態(tài)空間的LQR（最優(yōu)控制）、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等[4]。本課題設計了一款兩輪自平衡小車，研究了車身姿態(tài)檢測中陀螺儀與加速度傳感器的互補特性，并根據(jù)其特性比較并設計濾波算法，包括卡爾曼濾波，互補濾波等常用濾波算法。PID控制算法的實現(xiàn)以及直流電機調(diào)速的研究。具體包括：(1) 機器人本體設計：包括機械，重心調(diào)整，電氣系統(tǒng)設計等，為進一步研究提供良好的平臺；(2) 信號調(diào)理及控制部分電路設計：陀螺儀輸出信號需要經(jīng)過進一步濾波放大，因此需要設計信號調(diào)理電路，同時控制核心需要構(gòu)建相關(guān)輸入輸出模塊及人際交互設備，因此需要對主控單元電路進行設計。同時還需要設計直流電機驅(qū)動電路。(3) 基于卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)融合：由于陀螺儀測量的角速度只在短時間內(nèi)穩(wěn)定而加速度傳感器的自身白噪聲很嚴重，因此根據(jù)其互補特性設計卡爾曼濾波器以得到準確穩(wěn)定的角度和角速度。(4) PID控制算法：包括兩路閉環(huán)控制。小車的傾角閉環(huán)控制以及直流電機的閉環(huán)速度控制。第一章：緒論，介紹兩輪自平衡車的發(fā)展歷史、研究方向及應用前景，然后闡述課題的研究目標及主要內(nèi)容。第二章：系統(tǒng)原理闡述與分析，對小車的運動進行建模，分析陀螺儀與加速度計的特性并對濾波算法進行闡述，介紹PID控制器的設計。第三章：系統(tǒng)硬件設計，介紹兩輪子平衡車硬件系統(tǒng)的組成與設計，主要介紹單片機最小系統(tǒng)、陀螺儀信號放大電路、電機驅(qū)動電路等。第四章：系統(tǒng)軟件設計，介紹單片機初始化，濾波算法及控制算法，闡述各模塊軟件設計方法。第五章：系統(tǒng)調(diào)試，介紹濾波算法的效果與參數(shù)調(diào)整方法，PID參數(shù)整定、電機、編碼器等模塊的調(diào)試效果，對調(diào)試結(jié)果進行分析。第六章：總結(jié)與展望，總結(jié)本設計各模塊，并對兩輪自平衡小車的優(yōu)化方向進行了簡要闡述。2. 系統(tǒng)原理分析根據(jù)系統(tǒng)要求，小車必須要能夠在無外界干預下依靠一對平行的車輪保持平衡，并完成前進，后退，左右轉(zhuǎn)彎等動作。分析系統(tǒng)要求可知，保持小車直立和運動的動力都來自于小車的兩只車輪，車輪由兩只直流電機驅(qū)動。因此，從控制角度來看，可以將小車作為一個控制對象，控制輸入量是兩個車輪的轉(zhuǎn)動速度。整個控制系統(tǒng)可以分為三個子系統(tǒng)：(1)小車平衡控制：以小車傾角為輸入量，通過控制兩個電機的正反轉(zhuǎn)保持小車衡。(2)小車速度控制：在保持平衡的基礎上，通過調(diào)節(jié)小車傾角實現(xiàn)對速度的控制，實際上還是演變?yōu)閷﹄姍C的控制實現(xiàn)小車的速度控制。(3)小車方向控制：通過控制兩個電機間的轉(zhuǎn)速不同實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。小車直立和方向控制任務都是直接通過控制車模兩個后輪驅(qū)動電機完成的，而速度控制則是通過調(diào)節(jié)小車傾角完成的。小車不同的傾角會引起車模的加減速，從而達到對小車速度的控制。三個子系統(tǒng)各自獨立進行控制。由于最終都是對同一個控制對象（小車的電機）進行控制，所以各個子系統(tǒng)之間存在著耦合。為了方便分析，在分析其中之一時，假設其它控制對象都已經(jīng)達到穩(wěn)定。比如在速度控制時，需要小車已經(jīng)能夠保持直立控制；在方向控制時，需要小車能夠保持平衡和速度恒定；同樣，在小車平衡控制時，也需要速度和方向控制已經(jīng)達到平穩(wěn)。這三個任務中保持小車平衡是關(guān)鍵。由于小車同時受到三種控制的影響，從小車平衡控制的角度來看，其它兩個控制就成為干擾。因此對小車速度、方向的控制應該盡量保持平滑，以減少對平衡控制的干擾。以速度調(diào)節(jié)為例，需要通過改變車模平衡控制中小車傾角設定值，從而改變車模實際傾斜角度，達到速度控制的要求。為了避免影響車模平衡控制，這個車模傾角的改變需要非常緩慢的進行。其中平衡控制是系統(tǒng)的最基本要求，也是整個控制系統(tǒng)的難點?？刂菩≤嚻胶獾闹庇^經(jīng)驗來自人類日常生活經(jīng)驗。如人類身體擁有豐富的感知器官，通過大腦調(diào)節(jié)便可以控制腰部及腿部肌肉保持人體的直立。而一般人通過簡單訓練就可以讓一根直木棍在手指尖保持直立不倒。這需要兩個條件：一個是托著木棍的手指可以自由移動；另一個是人的眼睛可以觀察木棍的傾斜角度與傾斜趨勢(角速度)。這兩個條件缺一不可，實際上這就是控制系統(tǒng)中的負反饋機制，如圖21所示。圖21 保持木棍直立的反饋控制系統(tǒng)自平衡車的控制也是通過負反饋來實現(xiàn)的，與在指尖保持木棍直立比較則相對簡單。由于小車只依靠兩個車輪著地，車輪與地面會發(fā)生相對滾動使得小車傾斜。而小車上裝載的姿態(tài)檢測系統(tǒng)能夠?qū)π≤嚨膬A斜狀況進行實時檢測，通過控制器控制車輪轉(zhuǎn)動，抵消在這個維度上的傾斜力矩便可以保持小車平衡，如圖22所示。圖22 通過車輪轉(zhuǎn)動保持小車平衡為了準確控制車輪轉(zhuǎn)動，保持小車始終穩(wěn)定的直立平衡，需要對自平衡車進行運動學分析并建立其數(shù)學模型，從而更好的設計控制系統(tǒng)。為了更加直觀的分析系統(tǒng)受力情況，下面將直