【正文】 (4)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]。 互補濾波器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。間隔定時器(Systick)產(chǎn)生8kHz信號用于產(chǎn)生ADC和Kalman采樣頻率。串口配置波特率1152000、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無奇偶檢驗位。軟件設置兩個外設時鐘至其最高頻率，開啟ADC、定時器、DMA、串口和GPIO的時鐘源。兩種優(yōu)先級的級數(shù)可以通過軟件設置。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。濾波器截止頻率為，可以有效濾除來自電源的噪聲。 供電電路本設計使用鋰電池供電。圖10 電機驅動電路本設計采用MOSFET作為驅動電路的開關器件，MOSFET型號為IRFR1205，開啟電壓最大值為VGS=，適合電池供電的應用；在VGS=10V時，RDS=，低導通電阻一方面提高開關效率，另一方面降低開關器件的發(fā)熱量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性(康少華等，2011)。最小系統(tǒng)還引出了不需要使用的SPI，IIC，UART等接口，方便后續(xù)功能的擴張和調(diào)試。兩個12位的16通道模擬/數(shù)字轉換器(ADC),轉換速度高達1Msample/s，ADC支持規(guī)則轉換序列和注入轉換序列兩種轉換模式，支持DMA模式，轉換結果的搬運不需要CPU干預，提高程序運行效率。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM CortexM3內(nèi)核。表2 L3G4200 引腳功能管腳功能VDDGND地RESERVED廠家保留功能VSCS片選信號INT中斷引腳NC懸空SDAIIC數(shù)據(jù)線SCLIIC時鐘線與加速度傳感器的數(shù)字接口一致，也是通過用SDA和SCL與主控芯片的硬件IIC接口進行通訊，其應用電路如圖8所示。250 dps～177。 (1) 陀螺儀傳感器L3G4200D加速度計主要是用來測量靜態(tài)加速度，而動態(tài)的加速度值對系統(tǒng)是一種干擾，用陀螺儀測量出車體的角速度信號能夠有效的去除動態(tài)的干擾，兩種裝置并用可以在動態(tài)條件下實時的計算出自平衡車的傾角信息(馮智勇等，2011)。將電源模式設置為低功耗模式，以減小對鋰電池的消耗。 16g這三個量程，在此應該設置為177。ADL345具有可設置的多個量程，即177。表1 ADXL345 引腳功能管腳功能VDDGND地RESERVED廠家保留功能VSCS片選信號INT1中斷引腳1INT2中斷引腳2NC懸空SDAIIC數(shù)據(jù)線SCLIIC時鐘線ADXL345的各引腳功能如表1所示。的傾斜角度變化。該加速度傳感器電路的應用電路如圖6所示。圖5 系統(tǒng)方框圖4 主要芯片介紹和系統(tǒng)模塊硬件設計 加速度傳感器ADXL345MEMS(MicroElectroMechanical Systems)微機電系統(tǒng)有一類傳感器是加速度傳感器。綜上所述，本設計使用兩個6V帶有減速齒輪的直流有刷電機驅動兩輪自平衡小車。方案三：直流有刷電機。步進電機雖然可以使用細分驅動方式克服上述缺點，但是細分驅動電路結構復雜，而且功耗增大不適合用于電池供電的應用上。并為了簡化電路，最終選擇了均為IIC接口的陀螺儀傳感器L3G4200和加速度傳感器ADXL345。該方案的優(yōu)點是陀螺儀的動態(tài)性能很好，在動態(tài)下測出的角速度沒有太多的混雜成分，缺點是陀螺儀具有靜態(tài)漂移，即靜態(tài)下，陀螺儀仍然會輸出數(shù)值，而積分卻一直在進行，因此靜態(tài)時，測出來的角度并不是0176。重力加速度傳感器(gsensor)能過輸出以其芯片為中心的三軸加速度，通過這三個軸的重力加速度便可以計算出芯片的傾角，即車體的傾角。性價比低。提高了指令執(zhí)行速度(1Mips/MHz)，克服了瓶頸現(xiàn)象，增強了功能。 3 系統(tǒng)方案分析與選擇論證 系統(tǒng)方案設計 主控芯片方案方案一：采用意法半導體(ST)公司的STM32單片機作為主控芯片。但自然界存在各式各樣的干擾，θ角度總不為0，只要產(chǎn)生θ角，即使角度很小，M的方向與H的方向亦產(chǎn)生了角度，合力不為0，根據(jù)牛頓運動定律可知，θ角度將越來越大，直至車體傾倒在地上。 兩輪車傾倒原因的受力分析兩輪車是一個高度不穩(wěn)定系統(tǒng)，在重力作用下車體姿態(tài)本征不穩(wěn)定，致使在沒有外加調(diào)控下必然傾倒的現(xiàn)象(張三川，2011)。 本文的研究內(nèi)容本文研究內(nèi)容有兩輪自平衡小車的姿態(tài)檢測算法，PID控制算法兩方面。瑞士聯(lián)邦工學院的工業(yè)電子實驗室為模擬人類行走設計并制造了一個基于倒立擺理論的兩輪小車，該小車使用DSP控制，車架上方附有重物模擬實際車中的駕駛員，該小車使用陀螺儀和電機編碼器得到的信息來穩(wěn)定系統(tǒng)。Legway是第一個自平衡機器人。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀美國、日本、瑞士等國家在研究自平衡車領域起步較早，目前已經(jīng)達到了先進的水平。車身小巧，轉彎靈活，可以在狹窄、大轉角的工作場合作業(yè)。文中最后通過實驗驗證了自平衡小車軟硬件控制方案的可行性。本科畢業(yè)設計基于PID控制器的兩輪自平衡小車設計摘 要兩輪自平衡小車具有體積小、結構簡單、運動靈活的特點，適用于狹小和危險的工作空間，在安防和軍事上有廣泛的應用前景。由于陀螺儀存在溫漂和積分誤差，加速度傳感器動態(tài)響應較慢，不能有效可靠的反應車身的狀態(tài)，所以軟件使用互補濾波算法將陀螺儀和加速度傳感器數(shù)據(jù)融合，結合陀螺儀的快速的動態(tài)響應特性和加速度傳感器的長時間穩(wěn)定特性，得到一個優(yōu)化的角度近似值。駕駛者不必擔心掌握平衡，車體自身的平衡穩(wěn)定性，使得原本由于平衡能力障礙而無法騎自行車的人群也同樣可以駕馭。自平衡車，在重力作用下車體姿態(tài)本征不穩(wěn)定，需要電機的控制來維持姿態(tài)的平衡，通過電機驅動轉動車輪，傳感器、軟件、微處理器及車體機械裝置整體協(xié)調(diào)控制電動車平衡，是集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合復雜非線性系統(tǒng)，其控制難度大，控制算法復雜，給控制理論提出了很大的挑戰(zhàn)，具有較強的理論研究價值。實現(xiàn)了電機差動驅動方式，遙控操作，可以向前，向后和轉彎時保持平衡，可以實現(xiàn)U型回轉和零半徑轉彎。保持左右平衡通過轉動機器人體內(nèi)配備的慣性輪來實現(xiàn)。為了提高兩輪自平衡機器人的控制效果,利用基于DSP數(shù)字電路的全數(shù)字智能伺服驅動單元IPM100分別精確控制左右輪電機,并利用上位機實時控制機器人的運動狀態(tài),提高了控制精度、可靠度和集成度,得到了很好的控制效果。每個層都是功能模塊的電路路板之間用銅柱固定，電機外殼與電