【正文】 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 1 智能小車系統(tǒng)設計大學畢業(yè)設計 摘要 隨著科學的發(fā)展和科技的進步，人們在完成一件事情的時候不單單只關注結果而且也越來越多的考慮過程的影響，比如說對環(huán)境的影響還有方便程度等，而且對 智能化的要求也越來越高。兩輪智能車不僅節(jié)省了空間而且節(jié)省了能源 ,為人們未來的生活帶來了不少好處。 本系統(tǒng) 以 MC9S12XS128MAA 單片機為核心，其中還包括傾角檢測模塊、速度檢測模塊、電源模塊、電機驅動模塊、路徑檢測模塊、撥碼盤組成。電源模塊把 電壓轉換為 5V、 電壓，速度檢測模塊檢測電機的速度，傾角檢測模塊檢測智能車的傾角從而為控制智能車的直立提供信息，撥碼盤可對電機的速度進行直接設定。本系統(tǒng)有兩個電機驅動，一個電機驅動一個輪子，通過電機轉速的不同實現(xiàn)方向控制和直立控制。本智能車可以沿著特殊的路徑進行智力的行走。 本系統(tǒng)顯示了高度的智能化，可以為無人駕駛汽車的后續(xù)研究提供經驗，方便人們的生活和工作。 關鍵詞： MC9S12XS128MAA 單片機、傳感器、 PID 算法 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 2 Abstract With the development of science, When finish one thing people don39。t just focus on results, but also more and more considering the influence of the process .For example the influence of environment and the convenience of life. And people have high requirement of intelligent. Two rounds of smart car not only saves space and save the energy. Make people’s life more and more convenience and fortable. This system with MC9S12XS128MAA singlechip microputer as the co system aslo contains Angle detection module、 Speed detection 、 modulepower module driver module of electric motor 、 Path detection module. Dial the encoder. The angle can offer information to make the smart car upright. Power supply module convert voltage of V to 5 V, V voltage. Speed detection module to detect the speed of the motor. Dial the encoder can be set speed of the motor .This system has two motor ,one motor drive one wheel Through the speed of the motor can make the smart car upright. The smart car can walk along a path of special intelligence. This system shows the highly people’s life more conveni he same time can save a lot of time to do other things. Keyword: MC9S12XS128MAA、 sensor、 PID arithmetic 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 1 第一章 引言 兩輪自平衡小車研究的意義 兩輪自平衡小車的研究是在移動機器人研究的基礎上發(fā)展起來的。移動機器人隨著科學技術的發(fā)展而不斷進步，現(xiàn)在機器人的發(fā)展水平可以代表一個國家的綜合實力。兩輪自平衡小車也是移動機器人的一種。它是自動控制理論與技術和動力學理論相結合的一個研究性課題，可以感知動態(tài)決策的能力，兩輪自平衡智能車能夠靈活的運動而且能夠保持平衡的行走，兩輪智能車的結構特殊能夠適應地形的變化，能在復雜的環(huán)境下進行工作。兩輪智能車還有其他的一些優(yōu)點比如： 體積小，便于存儲，節(jié)省空間而且靈活方便。 功率小，使電池能長時間的供電，節(jié)省資源。 轉彎半徑極小，科技含量高。 由于兩輪自平衡小車有以上各種優(yōu)點所以兩輪智能小車會在軍用和民用領域有著廣泛的應用前景。因為它既有理論研究意義又有實用價值，所以兩輪自平衡小車的研究在最近十年引起了大量機器人技術實驗室的廣泛關注。 兩輪自平衡小車的研究現(xiàn)狀 在兩輪自平衡機器人的研究領域，美國、日本和瑞士等國家研究得較多，而且己經達到了一個很高的水平，國內的研究相對還比較少。以下分別介紹國內外一些主要的兩輪自平衡機器人 。 國外研究現(xiàn)狀 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： 由美國科學家 David P. Anderson[2]研發(fā)的兩輪自平衡機器人 Nbot 基于倒立擺的小型自平衡兩輪車模型，是由 HCllrobotcontr0ller 進行控制的。 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 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(jù)，用線性狀態(tài)反饋控制器來控河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 1 制整個系統(tǒng)的平衡穩(wěn) 定。由美國發(fā)明家 Dean Kamen 開發(fā)的‘ SEGWAY HT’兩輪個人交通工具是一個更為實用、成熟以及商業(yè)化的兩輪運載車的版本。它可以承載站立在平臺上的駕駛者，并在保持平衡的狀態(tài)下在多種路面上進行便捷的運動，它使用了五個陀螺儀和一個收集其他角度傳感器數(shù)據(jù)的集成器來保持自身的直立狀態(tài)。 SEGway 是源于美國的醫(yī)療器材生廠商強生公司所開發(fā)的一種自動平衡式動力輪椅 — iBOT，這個設計是為了給殘疾人提供服務，通過它可以實現(xiàn)自由上下樓梯，SEGWAY 踏板位置低于兩輪軸心的連線，系統(tǒng)有一定的自穩(wěn)定性能，從而使控制的難度有所下降。其運動特性類似蕩秋千，總是自然的向鉛直的平衡位置回歸。 20xx 年， Homebrew 機器人俱樂部的 Ted Larson 和 Bob Allen 制作了兩輪自平衡機器人 Bender，并在機器人上安裝了一個攝像頭使它也成為一款自主移動機器人。它由三層板構成，支架做得很高，使重心豎直靠上。但其平衡表現(xiàn)很出色，獲得了第一屆年度 Robolymipics39。39。 Best of Show39。39。類金。 國內的研究現(xiàn)狀 我國在兩輪自平衡小車的研究方面也做出了很大的貢獻，同時也取得了很大的成就。 1）西安電子科技大學研究出了自平衡兩輪機器人，它是一種兩輪式左右并布置結構的自平衡系統(tǒng)。它利用伺服放大器 ADS 作為控制器，選擇兩個 Maxson 電機作為執(zhí)行元件，采用自適應神經模糊控制器對小車這一非線性對象進行大范圍控制，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的自平衡。 2）哈爾濱工業(yè)大學也有類似的雙輪直立自平衡機器人，該系統(tǒng)采用 DSP 作為控制核心。車體傾斜角度檢測采用加速度傳感器和陀螺儀。利用 PWM 技術動態(tài)控制兩臺直流電機的轉速?；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。 3） 佛山市順德區(qū)合動智能裝備有限公司已經自主研發(fā)出單輪、兩輪自平衡車，包含采用 TI DSP的高性能自平衡小車直流無刷電機驅動器和自平衡小車控制器。 4） 20xx 年，河南科技大學研制的平衡雙輪電動機樣機，其控制器是 C8051F020單片機，選取陀螺儀和傾角傳感器檢測轉動角速率和傾角，通過控制算法得到的河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 1 電壓信號經 D/A 然后驅動電機。 5） 20xx 年，北京郵電大學制作了自平衡雙輪移動機器人，車體重心是在機軸線下方，其機械結構是輪子上裝有球形外殼，開始用遙控器控制運動車體會擺動。在控制系統(tǒng)升級后，用陀螺儀來 檢測小車姿態(tài)，經過控制算法來實現(xiàn)小車的自平衡。 通過上邊對國內外對兩輪自平衡小車研究的表述可知，一般兩輪自平衡小車研究基礎大多是倒立擺模型，而且研究最多的是有質心的小車，通過質心可以更好的控制小車的直立。 一般都是通過加速度傳感器，陀螺儀，加速度計等測量，通過把這些數(shù)據(jù)再次融合來得到小車的姿態(tài)。同時還要有更精密的算法來保障系統(tǒng)有良好的性能。當前對兩輪自平衡機器人的控制方法大致可分為：經典控制方法、現(xiàn)代控制方法、智能控制方法。而本文主要是通過 PID 算法來控制小車。 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 1 第二章 總體方案設計 賽車的性能主要由機械結構、硬件和軟件三大部分決定，機械結構是自平衡小車能夠運動的基礎，軟件和硬件是小車能夠實現(xiàn)功能的重要部分。所以本自能小車從機械結構、硬件、軟件三個方面來設計。 速 度 設 定 開 關Z 軸 方 向 的加 速 度 值角 加 速 度 值A D 采 樣A D 采 樣角 度 差 濾 波數(shù) 字 脈 沖 信 號8 位 編 碼 計 數(shù) 器C D 4 5 2 0光 信 號 信 號 放 大 電 路單 片 機 隔 離 保 護 電 路模 擬 電 流 信 號電 機 轉 速A / D 轉 換輸 入 電 壓輸 入 電 壓 系統(tǒng)整體方案設計流程圖 系統(tǒng)整體以 MC9S12XS128MAA 單片機為中心，結合電源模塊、電機驅動模塊、傾角檢測模塊、速度檢測模塊、路徑檢測模塊等組合而成。要求小車能夠直立的行走。 電源模塊由固定的 電源利用 LM2940 低壓差線性穩(wěn)壓芯器件產生 5V 電源，利用 ASM1117 低壓差調節(jié)器產生 電源。 2V、 5V、 電源為整個系統(tǒng)的供電電源。電機速度可以用電機速度傳感器中的光電編碼器輸出的數(shù)字脈沖信號經過 8位的脈沖計算器得到然后運用 PID算法得到速度控制的輸出量從而實現(xiàn)小車的速度控制；電機的傾角可以根據(jù)傾角檢測模塊中的加速度傳感器和陀螺儀得到車模的傾角和角加速度值再使用 PID 算法得到小車的傾斜角和角速度從而實現(xiàn)小車的直立控制，為了得到更加精確的角度信息需要對角度差進行卡爾河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 1 曼濾波，避免波動噪聲的影響；運用 PID 算法可以使曝光時間隨著光線的不同而自適應的改變，曝光采用中斷的形式進行。智能車的方向控制、速度控制、傾角控制歸根到底都是對小車電機速度的控制，通過調整電機的轉速來實現(xiàn)小車的直立和運動。本系統(tǒng)還要求小車能夠沿著固定的路線運動，這就要求小車 具有檢測路徑的功能，利用 CCD 輸出的電壓采用二值化提取黑線。本系統(tǒng)還可以利用撥碼盤將開關變量直接接入單片機從而調節(jié)小車的速度，能夠更好更方便的控制小車。 機械方面的總體設計 智能車的機械調整作為最基礎的部分，車模的機械調整主要分為：線性 CCD 的安裝；編碼器的安裝；電路板的固定；陀螺儀和加速度計的安裝；電池的安裝 。 硬件方面的總體設計 (1) 主控使用 112 引腳的 MC9S12XS128 芯片，因為其引腳 IO 多，可以控制的外圍較多的外圍設備； （ 2）整個系統(tǒng)由 、 3V、 5V 三種直流電供電。其中 電源是由直接提供的可充電電池供電， 5v、 是通過 電池來實現(xiàn)的。 （ 3）電機驅動模塊由 4片 BTS7970 兩兩組成了一個 H橋，行成兩個驅動橋，驅動左右電機。 （ 4）傾角檢測模塊由加速度傳感器和陀螺儀等組成。 （ 5）速度檢測模塊由電機傳感器歐姆龍編碼器實現(xiàn)。 （ 6）陸經檢測模塊通過線性 CCD 采集信號經放大電路后檢測路徑的狀況。 （ 7）無線檢測模塊由 Nrf24L01 無線模塊和 PT2272 模塊構成，為了了解車模的運行狀況，在調試階段使用來保護小車。 軟件方面的總體設計 (1) 對各個模塊進行初