【正文】 ，本系統(tǒng)設(shè)置其靈敏度為 800mv/g。 (2) 5V電源， 為單片機(jī)及相關(guān)外設(shè)供電?？紤]到產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)型，本設(shè)計(jì)中采用了由電阻電容構(gòu)成的簡(jiǎn)易復(fù)位電路，如圖 35 所示。由于單片機(jī)內(nèi)部集成了 PIM、 TIM、 PWM、 SPI、 SCI、 ECT、 CAN、 AD、 PIT 等模塊，因此使用方便 。 （ 1） 16 為累加器 D 或 8 位累加器 A 和 B； （ 2） 16 位變址寄存器 X 和 Y，用來(lái)處理地址，可分別用于源地址和目的地址指針型常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 變量運(yùn)算； （ 3） 16 位堆棧指針寄存器 SP； （ 4） 16 位程序計(jì)數(shù)器 PC，運(yùn)行時(shí)指向下一條指令的地址； （ 5） 16 位條件碼寄存器 CCR，在這一點(diǎn)上和 CPU12 不同，要特別注意。中斷有 7 個(gè)優(yōu)先級(jí)并且內(nèi)核支持優(yōu)先級(jí)的調(diào)度，最多可有 117 個(gè)中斷源， S12X 可訪問(wèn)最多 8M 的全部存儲(chǔ)空 間 (包括片內(nèi)和片外資源 )[14][15]?？煽啃允窍到y(tǒng)設(shè)計(jì)的第一要求，因此對(duì)電路設(shè)計(jì) 的所有環(huán)節(jié)都進(jìn)行了電磁兼容性設(shè)計(jì)，做好各部分的接地、屏蔽、濾波等工作，將高速數(shù)字電路與模擬電路分開(kāi)，從而大大提高本系統(tǒng)工作的可靠性。在預(yù)估階段，濾波器根據(jù)上一時(shí)刻狀態(tài)，估算出當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)；在更新階段，濾波器利用當(dāng)前時(shí)刻觀測(cè)值優(yōu)化在預(yù)估階段獲得的測(cè)量值，以獲得一個(gè)更準(zhǔn)確的新估計(jì)值 [11][12][13]。對(duì)于解決大部分的問(wèn)題， 是最優(yōu)，效率最高甚至是最有用的。 多傳感器數(shù)據(jù)融合是一個(gè)非常重要的研究?jī)?nèi)容，只有采用最適合的融合方法才能獲得最佳的效果。 加速度計(jì) 加速度計(jì)是一種利用檢測(cè)質(zhì)量塊的慣性力來(lái)測(cè)量載體加速度的敏感裝置， 分為線加速度計(jì)和角加速度計(jì)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)器件時(shí)會(huì)改變振動(dòng)頻率 ， 從而反映出物體旋轉(zhuǎn)的角速度。因此需要實(shí)時(shí)檢測(cè)自身傾角，再 進(jìn)行合理調(diào)整，就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡， 因而姿態(tài)檢測(cè)成為控制小車直立平衡的關(guān)鍵。要滿足這一點(diǎn)，需要 1k g, 2k 0。 PID 控制器具有原理簡(jiǎn)單、使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性強(qiáng)、對(duì)模型依賴 少等特點(diǎn)，因此 使用 PID 控制器實(shí)現(xiàn) 兩輪自平衡車 的控制 是完全可行的。假設(shè)其受外力干擾引起的車體角加速度為 ()xt ， 沿垂直于車體方向進(jìn)行受力分析如圖 27，可以得到自平衡車傾角與車輪移動(dòng)加速度為 ()at 以及外力干擾帶來(lái)的加速常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 度 ()xt 之間的運(yùn)動(dòng)方程。選取地面為參考的慣性系，根據(jù)牛頓第二定律可知倒立擺受到的慣性力為： g cosF ma ?? （式 23） 這樣，倒立擺所受到 的合回復(fù)力為： s in c o sF m g m a???? （式 24） 在平衡控制系統(tǒng)中，可控偏移角θ較小，對(duì)其進(jìn)行線性化。顯然，只能通過(guò)第二種方法實(shí)現(xiàn)倒立擺的平衡，即在系統(tǒng)中額外增加一種力使合回復(fù)力與偏移方向相反。 如果沒(méi)有阻尼力，單擺會(huì)在平衡位置左右晃動(dòng)而無(wú)法停止。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 θlmmglm單 擺 模 型一 級(jí) 倒 立 擺 模 型 圖 23 小車抽象為一級(jí)倒立擺模型 對(duì)普通單擺進(jìn)行受力分析如圖 24 所示。這需要兩個(gè)條件：一個(gè)是托著木棍的手指可以自由移動(dòng)；另一個(gè)是人的眼睛可以觀察木棍的傾斜角度與傾斜趨勢(shì) (角速度 )。由于小車同時(shí)受到 三種控制的影響，從小車平衡控 制的角度來(lái)看，其它兩個(gè)控制就成為干擾。 (3)小車方向控制：通過(guò)控制兩 個(gè)電機(jī)間的轉(zhuǎn)速不同 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 第四章：系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，介紹單片機(jī)初始化，濾波算法及控制算法，闡述各 模塊 軟件常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 設(shè)計(jì) 方法。具體包括： (1) 機(jī)器人本體設(shè)計(jì)：包括機(jī)械，重 心調(diào)整，電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，為進(jìn)一步研究提供良好的平臺(tái)； (2) 信號(hào)調(diào)理及控制部分電路設(shè)計(jì)：陀螺儀輸出信號(hào)需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步濾波放大 ，因此需要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路，同時(shí)控制核心需要構(gòu)建相關(guān)輸入輸出模塊及人際交互設(shè)備，因此需要對(duì)主控單元電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用 MEMS(MicroElectroMechanical System， 微機(jī)電 系統(tǒng) )陀螺儀和加速度計(jì)等慣性傳感器構(gòu) 成的姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、 準(zhǔn)確的檢測(cè)兩輪自平衡車的傾角。在機(jī)械 結(jié)構(gòu)上保持小車重心的穩(wěn)定性，才能減少控制系統(tǒng)由于車身機(jī)械結(jié)構(gòu)的不合理性而造成的控制復(fù)雜化；硬件系統(tǒng)必須包含自平衡車所需的所有電子系統(tǒng)與電氣設(shè)備；軟件系統(tǒng)則具體負(fù)責(zé)車身平衡控制。 本世紀(jì)初瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的 Joe、美國(guó)的 SegwayN 等兩輪自平衡機(jī)器人相繼問(wèn)世，世界各國(guó)越來(lái) 越多的機(jī)器人愛(ài)好者和研究者開(kāi)始關(guān)注兩輪自平衡機(jī)器人。 52 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 研究背景與意義 近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，移動(dòng)機(jī)器人的研究不斷深入，成為目前科學(xué)研究最活躍的領(lǐng)域之一，移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，面臨的環(huán)境和任務(wù)也越來(lái)越 復(fù)雜，這就要求移動(dòng)機(jī)器人必須能夠適應(yīng)一些復(fù) 雜的環(huán)境和任務(wù)。 49 致謝 9 PID 控制器設(shè)計(jì) Gesture detection。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 兩輪自平衡小車的設(shè)計(jì) 學(xué) 院 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 年 級(jí) 專 業(yè) 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 職 稱 論文提交日期 I 兩 輪自平衡小車的設(shè)計(jì) 摘 要 近年來(lái)，兩輪自平衡車的研究與應(yīng)用獲得了迅猛發(fā)展。 Gyroscope。 3 本文主要研究目標(biāo)與內(nèi)容 6 自平衡小車運(yùn)動(dòng)微分方程 13 基于 卡爾曼 濾波的數(shù)據(jù)融合 17 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 傾角傳感器信號(hào)調(diào)理電路 24 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 26 輔助調(diào)試電路 32 姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 32 陀螺儀與加速度計(jì)輸出值轉(zhuǎn)換 39 5. 系統(tǒng)調(diào)試 40 姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)調(diào)試 46 總結(jié) 這個(gè)基本的概念就是用數(shù)字處理器來(lái)偵測(cè)平衡的改變，然后以平行的雙輪來(lái)保持機(jī)器的平穩(wěn) [1][2]。 圖 11 Segway 兩輪自平衡車 兩輪自平衡車的關(guān)鍵技術(shù) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 兩輪自平衡車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括：車身機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。目前有多重技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傾角檢測(cè)，但是實(shí)時(shí)性，經(jīng)濟(jì)性還不夠理想。 PID 控制算法的實(shí)現(xiàn)以及直流電機(jī)調(diào)速的研究。 第三章：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，介紹 兩輪子平衡車 硬件系統(tǒng)的組成與設(shè)計(jì)，主要 介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)、 陀螺儀信號(hào)放大 電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等。 (2)小車速度控制：在保持平衡 的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)節(jié)小車傾角實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的控制，實(shí)際上還是演變?yōu)?對(duì)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)小車 的 速度控制。這三個(gè)任務(wù)中保持小車平衡是關(guān)鍵。而一般人通過(guò)簡(jiǎn)單訓(xùn)練就可以讓一 根直木棍在手指尖保持直立不倒。 重力場(chǎng)中使用細(xì)線懸掛的重物經(jīng)抽象化便形成理想化的單擺模型，兩輪自平衡車可以看作一級(jí)倒立擺模型進(jìn)行分析，如圖 23 所示 。可得出，單擺保持平衡的條件有兩點(diǎn)： (1) 受 到與偏移相反的回復(fù)力作用； (2) 受 到與運(yùn)動(dòng)速度相反的阻尼力作用。一種是改變重力方向；另一種是在系統(tǒng)中增加另外一種力使合回復(fù)力與偏移方向相反。假設(shè)車輪運(yùn)動(dòng)使倒立擺具有的加速度為 α 。 自平衡小車運(yùn)動(dòng)微分方程 已知自平衡車高度為 l ，質(zhì)量為 m ，將其抽象為一級(jí)倒立擺，并將倒立擺至于可水平移動(dòng)的小車上。其輸入 e (t）與輸出 u (t）的關(guān)系為： ? ? ? ? ? ? ? ?011 t D d e tu t K p e t e t d t TT d t??? ? ?????? (式 211) 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 其中 Kp 為比例系數(shù)； 1T 為積分時(shí)間常數(shù)； DT 為微分時(shí)間常數(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(gè)極點(diǎn)都位于 s 平面的左半平面。需要不斷調(diào)整自身角度，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。其 利用了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的物體會(huì)受到科里奧利力的原理，在器件中利用壓電陶瓷做成振動(dòng)單元。因此不能直接利用陀螺儀的積分結(jié)果作為可以直接使用的角度 [7][8]。由于利用單一傳感器（陀螺儀或加速度計(jì)）難以獲得相對(duì)真實(shí)的小車姿態(tài)角度，出于對(duì)系統(tǒng)測(cè)量姿態(tài)角度準(zhǔn)確性的考慮，本系統(tǒng)采用多傳感器信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，以獲得最佳姿態(tài)角度 [9][10]。 卡爾曼 濾波器與大多數(shù)濾波器不同之處，在于其是一種純粹的時(shí)域?yàn)V波器， 不需要 像低通濾 波器等頻域?yàn)V波器那樣，需要在頻域設(shè)計(jì)再轉(zhuǎn)換到時(shí)域?qū)崿F(xiàn)。 卡爾曼 濾波器的操作主要包括兩個(gè)階段：預(yù)估與更新。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 本系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：可靠、高效、簡(jiǎn)潔。 S12X 系列的 CPU采用復(fù)雜指令集 CISC 架構(gòu)，集成了中斷控制器，有豐富的 尋址方式。 CPU12X 的寄存器組包括如下 5 個(gè)部分。 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用 Freescale 公司 16 位單片機(jī) MC9S12XS128 為控制器， 最小系統(tǒng)原理圖如圖 33 所示，主要包括單片機(jī)供電、復(fù)位電路 、 時(shí)鐘電路 以及 BDM 接口電路 。 10MR512Y1XTAL22pfC1122pfC12GNDXTALEXTAL 圖 34 時(shí)鐘電路原理圖 單片機(jī)的外部復(fù)位電路可以使用按鈕和電容構(gòu)成，也可以使用專門的復(fù)位芯片。 整個(gè)系統(tǒng)需要 3 種電源： (1) ， 為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電。該加速度傳感器是一種低 g 值的傳感器， 輸出信號(hào)很大，不需要再進(jìn)行放大。 847562U1BLM358AD814321U1ALM358ADOut4Vref1GND2VCC3ENC03GNDC1090KR4GND20KR1C810KR3C9NCGYRO 圖 38 ENC03 放大電路 姿態(tài)檢測(cè)模塊實(shí)物圖如圖 39 所示。由于內(nèi)部集成控制電路具有邏輯電平輸入功能，因此與單片機(jī)的接口電路就比較方便，且該集成驅(qū)動(dòng)電路還具有電流檢測(cè)診斷、轉(zhuǎn)換率調(diào)整、死區(qū)時(shí)間生成以及過(guò)熱 、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流和短路保護(hù) 等功能 。為實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制，必須加入速度檢測(cè)裝置實(shí)