【正文】 通過改變 PMW1 和 PWM2 端口的驅(qū)動(dòng)波形占空比改變輸出端電壓，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的目的。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 驅(qū)動(dòng)芯片介紹 BTS7960 是 Infineon 公司 一款針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的完全集成的大電流半橋芯片，是NovalithICTM 系列的成員之一，封裝中集成了一個(gè) P 通道的 高邊 場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè) N 通道的 低邊 場(chǎng)效應(yīng)管以及一個(gè)集成控制電路。同時(shí)，由于陀螺儀輸出會(huì)隨溫度而變化，影響系統(tǒng)傾角檢測(cè)精度，為抑制陀螺儀溫漂，需要在放大電路中設(shè)計(jì)零點(diǎn)偏置電壓調(diào)整電路。電機(jī)供電直接采用電池 供電如圖 36 所示。電源模塊由若干相互獨(dú)立的穩(wěn)壓電路模塊組成。 在單片 機(jī)進(jìn)入睡眠模式時(shí)，時(shí)鐘振蕩電路輸入端被內(nèi)部 200 歐姆的下拉電阻拉低，振蕩電路停振，從而達(dá)到省電的目的。 MC9S12XS128 時(shí)鐘發(fā)生器 可 使用范圍 2~16MHz的外部晶振頻率，通過鎖相環(huán)頻率合成器產(chǎn)生更高單片機(jī)內(nèi)部總線周期。內(nèi)部寄存器組中的寄存器、堆棧指針和變址寄存器均為 16 位?；?S12 的 CPU 內(nèi)核，可達(dá)到 25MHz 的HCS12 的 2~5 倍性能。介紹了本系統(tǒng)使用的姿態(tài)檢測(cè)傳感器，分析了其性能特點(diǎn)。 卡爾曼 濾波器解決離散時(shí)間控制過程的一般方法，首先定義模型線性隨機(jī)微分方程。 1960 年 卡爾曼 發(fā)表了著名的用遞歸方法解決離散數(shù)據(jù)線性濾波問題的論文。 通過示波器連接陀螺儀與加速度計(jì)可以觀察其 輸出波形，如圖 211。陀螺儀輸出數(shù)據(jù)噪聲較常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 少，短時(shí)誤差較小。 陀螺儀 陀螺儀是一種用高速回轉(zhuǎn)體的動(dòng)量矩敏感殼體相對(duì)慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個(gè)或二個(gè)軸的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置，可以用于檢測(cè)角速度。 控制系統(tǒng)的輸出量為電機(jī)控制量，因而小車平衡控制的 PID控制器的輸出方程可寫為： OUT_Motor=Kp*Angle+Kd*Angle_dot (式 214) 式 214 中， OUT_Motor 為 PID 控制輸出量， Angle 為反饋傾角值， Angle_dot 為反饋角速度值， Kp 和 Kd 分別 為 比例系數(shù)及微分系數(shù)。由式 27 可知，車輪提供的加速度的大小是根據(jù)角度 ? 及角速度 ?? 的 反饋得出，因此需要在控制系統(tǒng)中引入角度 ? 及角速度 ?? 構(gòu)成比例 (P)微分 (D)反饋環(huán)節(jié)，如圖 28所示。 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史， 以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。由式 27 可知，只有當(dāng) 1k g時(shí) ，倒立擺才能穩(wěn)定到垂直位置。在此條件下再次分析倒立擺受力情況，如圖 26 所示 。 lm?mg?sinmg 圖 25 一級(jí)倒立擺模型受力分析圖 由一級(jí)倒立擺模型靜止時(shí)的受力分析可知，其回復(fù)力大小為： sinF mg ?? （式 22） 靜止的倒立擺之所以不能像單擺一樣可以穩(wěn)定在平衡位置，是因?yàn)?在偏離平衡位置時(shí)所受回復(fù)力與其偏移方向相同，而不是相反，因此不能回復(fù)至平衡位置，而是加速偏離垂直位置直至傾倒?？諝庾枘崃εc單擺的速度成正比，方向相反。 圖 22 通過車輪轉(zhuǎn)動(dòng)保持小車平衡 自平衡小車數(shù)學(xué)模型 兩輪自平衡小車受力分析 為了準(zhǔn)確控制車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，保持小車始終穩(wěn)定的直立平衡，需要對(duì)自平衡車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析并建立其數(shù)學(xué)模型，從而更好的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。 平衡控制原理分析 控制小車平衡 的直觀經(jīng)驗(yàn)來自人類日常生活經(jīng)驗(yàn)。為了方便分析，在分析其中之一時(shí) ， 假設(shè)其它控制對(duì)象都已經(jīng)達(dá)到穩(wěn) 定。因此，從控制角度來 看，可以將小車作為一個(gè)控制對(duì)象， 控制輸入量是兩個(gè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。 論文章節(jié)安排 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(yīng)用前景，然后闡述課題的研究目標(biāo)及主要內(nèi)容。當(dāng)然，也可以采用各類先進(jìn)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(luò)等 [4]。 姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng) 兩輪子平衡車通過姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)來實(shí)時(shí)檢測(cè)車 身姿態(tài)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并根據(jù)姿態(tài)信息對(duì)小車進(jìn)行控制。所以當(dāng)人 類的身體前傾時(shí)，這種不自主的反應(yīng)會(huì)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(dòng)作循環(huán)，即構(gòu)成了 “ 步行 ” 這種動(dòng)作。 兩輪自平衡機(jī)器人自面世以來，一直受到世界各國(guó)機(jī)器人愛好者和研究者的關(guān)注，這不 僅是因?yàn)閮奢喿云胶鈾C(jī)器人具有獨(dú)特的外形和結(jié)構(gòu)，更重要的是因?yàn)?其自 身的本質(zhì)不穩(wěn)定性和非線性使它成為很好的驗(yàn)證控制理論和控制方法的平臺(tái)，具有很高的研究?jī)r(jià)值。 48 附錄二 系統(tǒng)核心源代碼 47 附 錄 46 展望 43 兩輪自平衡小車動(dòng)態(tài)調(diào)試 41 控制系統(tǒng) PID 參數(shù)整定 31 PWM 模塊初始化 28 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 24 速度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì) 22 陀螺儀放大電路設(shè)計(jì) 16 10 PID 控制器設(shè)計(jì) 3 論文章節(jié)安排 小車還可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，后退，左右轉(zhuǎn)等基本動(dòng)作。系統(tǒng)選用飛思卡爾 16位單片機(jī) MC9S12XS128為控制核心，完成了傳感器信號(hào)的處理，濾波算法的實(shí)現(xiàn)及車身控制，人機(jī)交互等。 Data fusion III 目 錄 2 控制算法 5 自平衡小車數(shù)學(xué)模型 19 電源管理模塊設(shè)計(jì) 27 本章小結(jié) 44 V 本章小結(jié) 48 附錄一 系統(tǒng)電路原理圖 如何解決機(jī)器人在這些環(huán)境中運(yùn)行的問題，逐漸成為研究者關(guān)心的 問題。由于兩輪自平衡車有著活動(dòng)靈便，環(huán)境無害等優(yōu)點(diǎn)，其被廣泛應(yīng)用于各類高規(guī)格社會(huì)活動(dòng)，目前該車已用于奧運(yùn)會(huì)以及世博會(huì)等大型場(chǎng)合。系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立的重點(diǎn)在于動(dòng)力學(xué)方面，主要采用拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程以及牛頓力學(xué)定律的方法。 控制算法 兩 輪自平衡車屬于本質(zhì)不穩(wěn)定系統(tǒng)，因此其實(shí)現(xiàn)的平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡。 (3) 基于卡爾曼 濾波 的數(shù)據(jù)融合 ：由于陀螺儀測(cè)量的角速度只在短時(shí)間 內(nèi)穩(wěn)定而加速度傳感器的自身白噪聲很嚴(yán)重，因此根據(jù)其互補(bǔ)特性設(shè)計(jì) 卡爾曼 濾波器以得到準(zhǔn)確穩(wěn) 定的角度和角速度。 第六章：總結(jié)與展望， 總結(jié)本設(shè)計(jì)各模塊，并對(duì)兩輪自平衡小車的優(yōu)化方向進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述。小車不同的傾角會(huì)引起車模的加減速，從而達(dá)到對(duì)小車速度的控制。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(shè)定值，從而改變車模實(shí)際傾斜角度，達(dá)到速度控制的要求。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 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(fù)反饋來實(shí)現(xiàn)的，與在指尖保持木棍直立比較則相對(duì)簡(jiǎn)單。這個(gè)力稱 為回復(fù)力，其大小為： s inF mg ?? （式 21） 在偏移角很小情況下，回復(fù)力與偏移角之間的大小成正比，方向相反。阻尼力過大（過阻尼）則導(dǎo)致單擺恢復(fù)平衡時(shí)間加長(zhǎng)。牛頓運(yùn)動(dòng)定律只在慣性參考系中成立。這樣， 倒 立擺便可以回復(fù)平衡位置，但是其調(diào)整時(shí)間過長(zhǎng)。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。其中一個(gè)極點(diǎn)位于 s 平面的右半平面。 在反饋環(huán)節(jié)中，與角度 ? 成比例的控制量 稱為比例控制；與角速度成比例的控制量稱為微分控制（角速度是角度的微分）。其工作時(shí)不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng) [7][8]。采用模擬量輸出，檢測(cè)范圍可達(dá)177。 MMA7260 是一種低 g 值 、小量程線性加速度傳感器， 在不運(yùn)動(dòng)或不受重力作用（ 0g）條件下輸出為 ，最大測(cè)量范圍 06g，靈敏度最高可到 800mV/g，MMA7260 實(shí)物如圖 210 所示。加權(quán)平均法是一種簡(jiǎn)單的融合方法，故 其運(yùn)算精度很差；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法具有很好的非線性和有效的自學(xué)能力，但是其涉及的模型構(gòu)建，參數(shù)優(yōu)化非常復(fù)雜，不適用于本系統(tǒng)。近年來更被應(yīng)用于計(jì)算機(jī)圖像處理，例如頭臉識(shí)別，圖像分割，圖像邊緣檢測(cè)等等 [11][12]。 本 章小結(jié) 本章 闡述了小車平衡控制原理與所需條件。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖如下： 主 控 制 器M C 9 S 1 2 X S 1 2 8加 速 度 計(jì)M M A 7 2 6 0陀 螺 儀E N C 0 3角 度角 速 度串 口 通 訊m a x 2 3 2H 橋 電機(jī) 驅(qū) 動(dòng)直 流電 機(jī)測(cè) 速 模 塊編 碼 器 圖 31 硬件設(shè)計(jì)總體框圖 MC9SXS128 單片機(jī)介紹 本系統(tǒng)采用飛思卡爾公司（原摩托羅拉公司半導(dǎo)體事業(yè)部）的 MC9S12XS128 單片機(jī)為控制核心。 圖 32 MC9S12XS128 單片機(jī)功能模塊示意圖 一、 MC9S12XS128 主要特性 1）最高總線速度從 25MHz提升到 40MHz； 2）增加 GPage、 RPage、 EPage 頁面寄存器，可以實(shí)現(xiàn) 8MB 存儲(chǔ)空間連續(xù)尋址； 3）以內(nèi)存代替 EEPROM,編程簡(jiǎn)化； 4）電源供電簡(jiǎn)化，不在需要外部 PLL濾波電路器件； 5） A/D 從 10 位精度升為 12 位精度； 6）內(nèi)部有容錯(cuò)、糾錯(cuò)功能 ECC； 7） CCR 由 8 位改為 16 位，增加 3 個(gè)優(yōu)先級(jí)位，將中斷源細(xì)分為 7 級(jí)； 8） SPI 支持 16 位操作； 9）有存儲(chǔ)保護(hù)設(shè)置、定時(shí)器功能增強(qiáng)，有四通道 24 位周期中斷定時(shí)器； 10）不再支持模糊邏輯指令。 MC9S12XS128 的脈寬調(diào)制模塊（ PWM）可設(shè)置成 8 通道 8 位或者 4 通道 16 位，占空比可編程，脈沖波形可中心對(duì)齊或邊緣對(duì)齊。通過控制器內(nèi)的鎖相環(huán)電路（ PLL）進(jìn)行倍頻，其壓控振蕩器（ VCO）的頻率最高可達(dá) 80MHz。手動(dòng)復(fù)位時(shí)，按下手動(dòng)復(fù)位按鈕， RESET 端保持低電平，單片機(jī)復(fù) 位；釋放手動(dòng)復(fù)位按鈕后， RESET 端輸出高電平，單片機(jī)工作。 整個(gè)系統(tǒng)電源來源為 鎳氫電池， 5V 電源由 LM2940 提供。 XOUT15YOUT14ZOUT13SLEEP12gs_11g_s22VCC3GND4MMA7260GNDGNDACC_XACC_YACC_Z 圖 37 加速度計(jì) MMA260 接口電路圖 陀螺儀放大電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用的陀螺儀為村田公司 ENC03，是一種低成本壓電式陀螺儀，其輸出為。由于兩輪自 平衡車在平衡過程中需要不斷前后運(yùn)動(dòng)調(diào)整車身姿態(tài)，因此需要電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)雙向轉(zhuǎn)動(dòng)。 由于電機(jī)啟動(dòng)瞬間電流很大，會(huì)將整個(gè)系統(tǒng)電壓拉低，造成其他設(shè)備如單片機(jī)的工作不正常，因此要在電池電