雙輪平衡車的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計方案小車機(jī)器人論文-wenkub
2023-05-28 06:50:12 本頁面
【正文】 夠運作的電力，車上的人就不用擔(dān)心有傾倒跌落的可能，這與一般需要靠駕駛?cè)俗约哼M(jìn)行平衡的滑板車等交通工具大大不同，雙輪單軸自平衡小車就是其中的一種模型。本設(shè)計利用 ATmega328P 單片機(jī)，和加速度以及陀螺儀傳感器實時檢測物體在空間中的姿態(tài)，并將物體姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，發(fā)出控制信號，驅(qū)動兩個電機(jī)轉(zhuǎn)動，使小車保持動態(tài)平衡。其原理來自于倒立擺的控制，雙輪小車從力學(xué)角度來說本身是不穩(wěn)定的，因此設(shè)計的重點是如何控制實現(xiàn)小車的平衡，以及在平衡下實現(xiàn)指定運動。 國內(nèi)外同類設(shè)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?nèi)〉昧艘幌盗械某晒?，以下介紹國外幾個比較先進(jìn)的兩輪自平衡小車：由瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)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(jìn)行控制的。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。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，計算輸出 PWM 信號控制兩個伺服電機(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，自動前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)彎。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 PTR2000 超小型超低功耗高速無線收發(fā) MODEM。使用 AVR ATMEGA 328P 單片機(jī)作為控制器，使用加速度、角速度傳感器估計車體姿態(tài)，設(shè)計控制算法對兩輪電機(jī)進(jìn)行實時控制，使機(jī)器人在保持平衡的基礎(chǔ)上按照指令進(jìn)行運動。之間；；；。設(shè)計系統(tǒng)包括：第一是雙輪平衡車的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，由兩輪自平衡小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)搭建工作平臺、承載硬件電路。為電機(jī)控制提供準(zhǔn)確的速度方向反饋。調(diào)試部分,方便進(jìn)行速度方向數(shù)據(jù)修正。輔助調(diào)試：（備用）1 到 3 路，用于車模調(diào)試、設(shè)置作用。（5） IO 接口（備用），4 到 8 路輸入輸出，應(yīng)用車模運行狀態(tài)顯示，功能設(shè)置等。電機(jī)驅(qū)動模塊：兩片 Freescale MC33886 電機(jī)驅(qū)動芯片，分別驅(qū)動兩個電機(jī)。為了能夠準(zhǔn)確獲取小車當(dāng)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(jié)合的方式。當(dāng)軸平行于子午線而靜止時可加以應(yīng)用。其主要為利用硅的機(jī)械性質(zhì)設(shè)計出的可移動機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)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(dāng)于固定的電極，后者的功能則是可移動電極。加速度計測量線性運動，輸出加速度，速度變化越快輸出量越大，通過三角函數(shù)計算可得到加速度計與重力方向的夾角。1. 陀螺儀以及放電電路有溫漂。BMA180 與博世公司的其他慣性傳感器一樣，它也是雙芯片布置的。用一個頻率在 10HZ 到 600HZ 之間可調(diào)的巴特沃斯濾波器來保證加速度的測量過程。ITG3205 具有 3 個 16 位 ADC 輸出，用戶可選擇內(nèi)部低通濾波器的帶寬，快速 I2C 接口（400KHz）。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點。很明顯，LCD 驅(qū)動器只是一個接收器，而存儲器則既可以接收又可以發(fā)送數(shù)據(jù)。I2C 總線特征：只要求兩條總線線路：一條串行數(shù)據(jù)線 SDA，一條串行時鐘線 SCL；每個連接到總線的器件都可以通過唯一的地址和一直存在的簡單的主機(jī)/從機(jī)關(guān)系軟件設(shè)定地址，主機(jī)可以作為主機(jī)發(fā)送器或主機(jī)接收器；它是一個真正的多主機(jī)總線，如果兩個或更多主機(jī)同時初始化，數(shù)據(jù)傳輸可以通過沖突檢測和仲裁防止數(shù)據(jù)被破壞；串行的 8 位雙向數(shù)據(jù)傳輸位速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá) 100kbit/s，快速模式下可達(dá) 400kbit/s，高速模式下可達(dá) ；連接到相同總線的 IC 數(shù)量只受到總線的最大電容 400pF 限制。起始和停止條件一般由主機(jī)產(chǎn)生，總線在起始條件后被認(rèn)為處于忙的狀態(tài)，在停止條件的某段時間后總線被認(rèn)為再次處于空閑狀態(tài)。本系統(tǒng)中選用 avr 單片機(jī) ATMEGA328，ATMEGA 可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)成本，原理如圖 36。當(dāng)然這種速度上的升躍，是以高可靠性為其后盾的。8 位微控制器（二）先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu)131 條指令 大多數(shù)為單時鐘周期執(zhí)行 328 通用工作寄存器 全靜態(tài)工作 工作在 20MHz 時高達(dá) 20 MIPS 的吞吐量（三）高耐久的非易失性內(nèi)存32Kbytes 可編程 Flash 程序存儲器1Kbytes 內(nèi)部 SRAM可寫/擦除次數(shù):Flash 10000 次,EEPROM 100000 次數(shù)據(jù)保存:在 85176。Arduino，是一塊基于開放源代碼的 USB 接口 Simple i/o 接口板（包括 12 通道數(shù)字 GPIO（pin2—pin13），4 通道 PWM 輸出（pinpinpinpinpinpin11），68 通道 10bit ADC 輸入通道（A0A5）），并且具有使用類似 Java,C 語言的 IDE 集成開發(fā)環(huán)境。Arduino 開發(fā) IDE 接口基于開放源代碼，可以讓您免費下載使用開發(fā)出更多令人驚艷的互動作品。也可以使用外部 9VDC 輸入?？珊唵蔚嘏c傳感器，各式各樣的電子元件連接(EX：紅外線,超音波,熱敏電阻,光敏電阻,伺服馬達(dá)等)。 電機(jī)驅(qū)動電路由于小車具有兩個驅(qū)動電機(jī)，因此需要兩組電機(jī)驅(qū)動橋電路。 圖 38 單極性PWM 圖 39 雙極性PWM因此每一路電機(jī)為了能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)，都需要兩個 PWM 信號。MC33886 能夠控制連續(xù)感應(yīng)直流負(fù)載上升到 輸出負(fù)載脈寬調(diào)制的頻率可達(dá) 10KHz，一個故障狀態(tài)輸出可以報告欠壓，短路，過熱的情況。圖 310 電機(jī)驅(qū)動模塊圖 電機(jī)測速電路為了使單片機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，需要對電機(jī)進(jìn)行測速，需要使用編碼器。解決的方法是增加參考點，編碼器每經(jīng)過參考點，將參考位置修正進(jìn)計數(shù)設(shè)備的記憶位置。串行通信有很多種，目前較常用的有 RS23RS422 和 RS485，根據(jù)本設(shè)計的實際情況，RS232 串行通信可以滿足要求，232 電平與 TTL 電平的轉(zhuǎn)換使用已廣泛使用且效果良好的 MAX232 芯片。如果要實現(xiàn)長距離的傳輸（數(shù)百米），需要使用專門的長線驅(qū)動器來延長 RS232C 的通信距離。由于其與 TTL 等數(shù)字電路的邏輯電平不兼容，因此二者之間的連接必須使用電平轉(zhuǎn)換。 串行通信電路RS232C 接口電路包括 RS232C 接口電平轉(zhuǎn)換部分和 RS232C 總線連接部分。根據(jù)系統(tǒng)各部分正常 工作的需要，本系統(tǒng)輸出電壓值分為 伏、5 伏和 9 伏三個檔。3. 9V 直接給電機(jī)驅(qū)動芯片 MC33886 供電可直接驅(qū)動電機(jī)，無需在給電機(jī)連接電源。 圖 314 GM1117模塊圖 電源管理模塊原理圖圖 315 電源管理模塊圖 結(jié) 論本文基于 ATMEL 公司的 8 位微處理器 Atmega 328P 為控制核心，設(shè)計了能實現(xiàn)自平衡的雙輪智能車硬件系統(tǒng)。硬件部分采用模塊化設(shè)計，主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)，姿態(tài)檢測模塊，直流驅(qū)動電機(jī)控制模塊，電源管理模塊，測速編碼模塊，串口調(diào)試模塊組成。由于時間和個人水平的限制，仍有許多地方需要完善。從課題的選擇到最終完成，鄒老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。感謝在設(shè)計過程中幫助過我的各位同學(xué)，尤其是本組的同學(xué)，在遇到不懂的問題時，他們總是毫無保留地把他們所知道的告訴我，在設(shè)計過程中，大家共同學(xué)習(xí)共同進(jìn)步的日子是我最享受的日子。使我能進(jìn)一步的學(xué)習(xí)并掌握更多的知識。更感謝我的家人始終給予我的不懈支持和鼓勵。鄒老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識、創(chuàng)新的思維和高尚的人格給我留下了深刻的印象，并將使我受益終身。
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