【正文】 因此該信號中噪聲很小 。如果角速度信號存在微小 的偏差和漂移，經(jīng)過積分運算之后，變化形成積累誤差。 圖 21 通過重力加速度來矯正陀螺儀的角度漂移 18 4 課程設(shè)計總結(jié) 本設(shè)計主要研究兩輪自平衡小車的設(shè)計與實現(xiàn)。通過卡爾曼濾波器將陀螺儀與加速度計的輸出融合為準(zhǔn)確的傾角與角速度輸出，為系統(tǒng)的控制提供了有力保障。 由于時間及個人能力原因，本設(shè)計完成的兩輪自平衡小車只是一種簡單的模型。 (4)使用速度更快的控制器，如 DSP， X86等，提高系統(tǒng)控制速度。 他對待工作的認(rèn)真態(tài)度，對待科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)，對待他人的寬容善良為我今后的工作、學(xué)習(xí)和生活樹立了榜樣。 。同時在學(xué)習(xí)和生活上關(guān)心我們，當(dāng)我們遇到挫折時，總是鼓舞我們，給我們信心和幫助。 (6)采用先進控制算法，如 LQR最優(yōu)控制，模 糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，提高控制系統(tǒng)性能。 (2)研究機械機構(gòu)對兩輪自平衡車的控制的影響。通過對小車的運動建模，構(gòu)建了小車運動控制的 PD控制算法，并對 PID參 數(shù)進行了整定。 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)以飛思卡爾公司 32位單片機 K60為控制核心，采用壓電陀螺儀 L3G4200及 MEMS加速度計 MMA7260構(gòu)成了慣性姿態(tài)檢測系統(tǒng)，通過 H橋電機驅(qū)動及旋轉(zhuǎn)編碼器實現(xiàn)了直流電機的閉環(huán)調(diào)速，最終實現(xiàn)了兩輪自平衡車的姿態(tài)檢測與平衡控制。 圖 20 角速度積分漂移現(xiàn)象 消除上述誤差通過上面的加速度傳感器獲得的角度信息對此進行校正。因此車?？刂扑枰慕嵌群徒撬俣瓤梢允褂猛勇輧x所得到的信號。車模傾角在兩個角度位置過渡，看到除了角度變化信號之外，還存在由于運動引起的電壓波動，這個電壓波動隨著車模運動速度增加會變得很大。在計算 Rest(n)時，可以通過 RxEst(n1) 和 RzEst(n1)計算出 Axz(n1),即： ) 1)R z E s t ( n , 1)R x E s t ( n a t a n 2( = 1)A x z ( n (式 6) 接著由 Axz(n1)和 RateAxz(n)可計算出 Axz(n)，即： T * R a t e A xz ( n) + 1)A xz ( n = A xz ( n) (式 7) 其中 RateAxz(n)為繞 y 軸的陀螺儀角速度， T 為計算 Axz(n1)到計算 Axz(n)的時間差值。因此，從加速度計測出來的 RxAcc， RyAcc， RzAcc(acc 代表 accelerometer)便可合成矢量 Racc，即 Racc=[Raccx，Raccy， Raccz]。 由圖可看出該濾波器的輸入有兩個數(shù)據(jù)，一是加速度計測得的角度，二是陀螺 儀測得的角速度，兩者經(jīng)過一定的融合運算后得出一個穩(wěn)定可靠的傾角。采用一種簡易互補濾波方法來融合陀螺儀和加速度計的輸出信號，補償陀螺儀的漂移誤差和加速度計的動態(tài)誤差，便可以得到一個最優(yōu)的傾角近似值。因此上面系數(shù) 1k ， 2k 分別稱為比例和微分控制參數(shù)。根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)可知，系統(tǒng)穩(wěn)定需要兩個極點都位于 s 平面的左半平面。根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)可知系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此小車在靜止?fàn)顟B(tài)不能保持平衡 [9]。其輸入 e (t）與輸出 u (t）的關(guān)系為： 12 ? ? ? ? ? ? ? ?011 t D d e tu t K p e t e t d t TT d t??? ? ?????? (式 1) 其中 Kp 為比例系數(shù)； 1T 為積分時間常數(shù)； DT 為微分時間常數(shù)。測量系統(tǒng)需要控制的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾 正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。同時為了前期調(diào)試已經(jīng)查看數(shù)據(jù)，使用了主控的串口將程序中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)如估算出的最終角度等，上傳到電腦，以觀察數(shù)據(jù)的特性，上傳周期為 16ms。用戶不需要任何硬件支持就可以模擬各種 ARM 內(nèi)核、外部設(shè)備甚至中斷的軟件運行環(huán)境。在開發(fā)過程中我們使用IAR Systems 公司的 IAR Embedded Workbench for ARM （簡稱 IAR環(huán)境）JLinkARMV8 仿真器。 LM2940 是一種線性低壓差三端穩(wěn)壓器件，其輸出紋波較小，適合單片機供電。整個系統(tǒng)需要3 種電源： (1) 電源，為驅(qū)動電機供電。 K60 自身具有正交解碼功能，因此這里無需使用任何外圍 計數(shù)輔助器件，只需要將接口連接到單片機上相應(yīng)的接口即可 [3]，接口如圖 8 所示。一個 H 橋電機驅(qū)動電路如圖 7 所示。高容量的 K60系列帶有一個可選擇的單精度浮點處理單元、 NAND控制單元和 DRAM控制器。為了電源穩(wěn)定， MCU 內(nèi)部包含多組電源電路，同時給出多處電源引出腳，便于外 接濾波電容。 圖 5 系統(tǒng)方框圖 主控電路 本設(shè)計的兩輪自平衡小車采用 K60N512VM100 單片機為主控芯片。小車采用多層機械結(jié)構(gòu)，電機驅(qū)動電路與其他電路分離，有效降低電磁干擾 [5]。步進電機雖然可以使 用細(xì)分驅(qū)動方式克服上述缺點，但是細(xì)分驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且功耗增大不適合用于電池供電的應(yīng)用上。但是無刷電機的驅(qū)動電路復(fù)雜，而且在本設(shè)計中小車為實驗性質(zhì)，車身較小，市面上很難找到大小合適的直流無刷電機。這款器件提供一個 16 位數(shù)據(jù)輸出，以及可配置的低通和高通濾波器等嵌入式數(shù)字功能。 L3G4200D 是意法半導(dǎo)體 (ST)近日推出一款業(yè)界 獨創(chuàng)、采用一個感應(yīng)結(jié)構(gòu)檢測 3 條正交軸向運動的 3 軸數(shù)字陀螺儀。該加速度傳感器是一種低 g 值的傳感器，輸出信號很大，不需要再進行放大。該系列提供高達 180MHz 的性能和 IEEE1588 以太網(wǎng) MAC，4 用于工業(yè)自動化環(huán)境中的精確的、實時的時間控制。 考慮到此系統(tǒng)的復(fù)雜度，需要與傳感器進行 IIC 通訊，輸出靈活可控制的 PWM 信號，以及進行大量的數(shù)學(xué)運算。其中的一款 單片機型號為 Atmega128，有64 個引腳，最高可達到 16M 主頻， IIC， UART， SPI 接口都比較豐富，但價格高。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。而一般人通過簡單訓(xùn)練就可以讓一根直木棍在手指尖保持直立不倒。 (4) PID 控制算法：包括兩路閉環(huán)控制。 PID 控制算法的實現(xiàn)以及直流電機調(diào)速的研究。 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。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(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。 中北大學(xué) 課 程