【正文】 ，本系統(tǒng)設置其靈敏度為 800mv/g。 (2) 5V電源， 為單片機及相關外設供電?？紤]到產(chǎn)品經(jīng)濟型，本設計中采用了由電阻電容構成的簡易復位電路，如圖 35 所示。由于單片機內(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院畢業(yè)設計（論文） 19 變量運算； （ 3） 16 位堆棧指針寄存器 SP； （ 4） 16 位程序計數(shù)器 PC，運行時指向下一條指令的地址； （ 5） 16 位條件碼寄存器 CCR，在這一點上和 CPU12 不同，要特別注意。中斷有 7 個優(yōu)先級并且內(nèi)核支持優(yōu)先級的調(diào)度，最多可有 117 個中斷源， S12X 可訪問最多 8M 的全部存儲空 間 (包括片內(nèi)和片外資源 )[14][15]?？煽啃允窍到y(tǒng)設計的第一要求，因此對電路設計 的所有環(huán)節(jié)都進行了電磁兼容性設計，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，從而大大提高本系統(tǒng)工作的可靠性。在預估階段，濾波器根據(jù)上一時刻狀態(tài)，估算出當前時刻狀態(tài)；在更新階段，濾波器利用當前時刻觀測值優(yōu)化在預估階段獲得的測量值，以獲得一個更準確的新估計值 [11][12][13]。對于解決大部分的問題， 是最優(yōu)，效率最高甚至是最有用的。 多傳感器數(shù)據(jù)融合是一個非常重要的研究內(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 加速度計是一種利用檢測質量塊的慣性力來測量載體加速度的敏感裝置， 分為線加速度計和角加速度計。當旋轉器件時會改變振動頻率 ， 從而反映出物體旋轉的角速度。因此需要實時檢測自身傾角，再 進行合理調(diào)整，就可以實現(xiàn)動態(tài)平衡， 因而姿態(tài)檢測成為控制小車直立平衡的關鍵。要滿足這一點，需要 1k g, 2k 0。 PID 控制器具有原理簡單、使用方便、適應性強、魯棒性強、對模型依賴 少等特點，因此 使用 PID 控制器實現(xiàn) 兩輪自平衡車 的控制 是完全可行的。假設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行受力分析如圖 27，可以得到自平衡車傾角與車輪移動加速度為 ()at 以及外力干擾帶來的加速常熟理工學院畢業(yè)設計（論文） 10 度 ()xt 之間的運動方程。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，對其進行線性化。顯然，只能通過第二種方法實現(xiàn)倒立擺的平衡，即在系統(tǒng)中額外增加一種力使合回復力與偏移方向相反。 如果沒有阻尼力，單擺會在平衡位置左右晃動而無法停止。 常熟理工學院畢業(yè)設計（論文） 7 θlmmglm單 擺 模 型一 級 倒 立 擺 模 型 圖 23 小車抽象為一級倒立擺模型 對普通單擺進行受力分析如圖 24 所示。這需要兩個條件：一個是托著木棍的手指可以自由移動；另一個是人的眼睛可以觀察木棍的傾斜角度與傾斜趨勢 (角速度 )。由于小車同時受到 三種控制的影響，從小車平衡控 制的角度來看，其它兩個控制就成為干擾。 (3)小車方向控制：通過控制兩 個電機間的轉速不同 實現(xiàn)轉向。 第四章：系統(tǒng)軟件設計，介紹單片機初始化，濾波算法及控制算法，闡述各 模塊 軟件常熟理工學院畢業(yè)設計（論文） 4 設計 方法。具體包括： (1) 機器人本體設計：包括機械，重 心調(diào)整，電氣系統(tǒng)設計等，為進一步研究提供良好的平臺； (2) 信號調(diào)理及控制部分電路設計：陀螺儀輸出信號需要經(jīng)過進一步濾波放大 ，因此需要設計信號調(diào)理電路，同時控制核心需要構建相關輸入輸出模塊及人際交互設備，因此需要對主控單元電路進行設計。采用 MEMS(MicroElectroMechanical System， 微機電 系統(tǒng) )陀螺儀和加速度計等慣性傳感器構 成的姿態(tài)檢測系統(tǒng)可以實時、 準確的檢測兩輪自平衡車的傾角。在機械 結構上保持小車重心的穩(wěn)定性，才能減少控制系統(tǒng)由于車身機械結構的不合理性而造成的控制復雜化；硬件系統(tǒng)必須包含自平衡車所需的所有電子系統(tǒng)與電氣設備；軟件系統(tǒng)則具體負責車身平衡控制。 本世紀初瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學的 Joe、美國的 SegwayN 等兩輪自平衡機器人相繼問世，世界各國越來 越多的機器人愛好者和研究者開始關注兩輪自平衡機器人。 52 常熟理工學院畢業(yè)設計（論文） 1 研究背景與意義 近年來，隨著電子技術的發(fā)展與進步，移動機器人的研究不斷深入，成為目前科學研究最活躍的領域之一，移動機器人的應用范圍越來越廣泛，面臨的環(huán)境和任務也越來越 復雜，這就要求移動機器人必須能夠適應一些復 雜的環(huán)境和任務。 49 致謝 9 PID 控制器設計 Gesture detection。 本科畢業(yè)設計（論文） 題 目 兩輪自平衡小車的設計 學 院 電氣與自動化工程學院 年 級 專 業(yè) 班 級 學 號 學生姓名 指導教師 職 稱 論文提交日期 I 兩 輪自平衡小車的設計 摘 要 近年來，兩輪自平衡車的研究與應用獲得了迅猛發(fā)展。 Gyroscope。 3 本文主要研究目標與內(nèi)容 6 自平衡小車運動微分方程 13 基于 卡爾曼 濾波的數(shù)據(jù)融合 17 單片機最小系統(tǒng)設計 21 傾角傳感器信號調(diào)理電路 24 驅動電路設計 26 輔助調(diào)試電路 32 姿態(tài)檢測系統(tǒng)軟件設計 32 陀螺儀與加速度計輸出值轉換 39 5. 系統(tǒng)調(diào)試 40 姿態(tài)檢測系統(tǒng)調(diào)試 46 總結 這個基本的概念就是用數(shù)字處理器來偵測平衡的改變，然后以平行的雙輪來保持機器的平穩(wěn) [1][2]。 圖 11 Segway 兩輪自平衡車 兩輪自平衡車的關鍵技術 系統(tǒng)設計 兩輪自平衡車的系統(tǒng)設計包括：車身機械結構設計，硬件系統(tǒng)設計和軟件系統(tǒng)設計。目前有多重技術可以實現(xiàn)傾角檢測，但是實時性，經(jīng)濟性還不夠理想。 PID 控制算法的實現(xiàn)以及直流電機調(diào)速的研究。 第三章：系統(tǒng)硬件設計，介紹 兩輪子平衡車 硬件系統(tǒng)的組成與設計，主要 介紹單片機最小系統(tǒng)、 陀螺儀信號放大 電路、電機驅動電路等。 (2)小車速度控制：在保持平衡 的基礎上，通過調(diào)節(jié)小車傾角實現(xiàn)對速度的控制，實際上還是演變?yōu)?對電機的控制實現(xiàn)小車 的 速度控制。這三個任務中保持小車平衡是關鍵。而一般人通過簡單訓練就可以讓一 根直木棍在手指尖保持直立不倒。 重力場中使用細線懸掛的重物經(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倒立擺模型進行分析，如圖 23 所示 ?？傻贸?，單擺保持平衡的條件有兩點： (1) 受 到與偏移相反的回復力作用； (2) 受 到與運動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力與偏移方向相反。假設車輪運動使倒立擺具有的加速度為 α 。 自平衡小車運動微分方程 已知自平衡車高度為 l ，質量為 m ，將其抽象為一級倒立擺，并將倒立擺至于可水平移動的小車上。其輸入 e (t）與輸出 u (t）的關系為： ? ? ? ? ? ? ? ?011 t D d e tu t K p e t e t d t TT d t??? ? ?????? (式 211) 常熟理工學院畢業(yè)設計（論文） 11 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)。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。需要不斷調(diào)整自身角度，以實現(xiàn)動態(tài)平衡。其 利用了旋轉坐標系中的物體會受到科里奧利力的原理，在器件中利用壓電陶瓷做成振動單元。因此不能直接利用陀螺儀的積分結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）難以獲得相對真實的小車姿態(tài)角度，出于對系統(tǒng)測量姿態(tài)角度準確性的考慮，本系統(tǒng)采用多傳感器信號進行數(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域濾波器， 不需要 像低通濾 波器等頻域濾波器那樣，需要在頻域設計再轉換到時域實現(xiàn)。 卡爾曼 濾波器的操作主要包括兩個階段：預估與更新。 常熟理工學院畢業(yè)設計（論文） 17 本系統(tǒng)硬件電路的設計目標為：可靠、高效、簡潔。 S12X 系列的 CPU采用復雜指令集 CISC 架構，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 個部分。 單片機最小系統(tǒng)設計 本設計采用 Freescale 公司 16 位單片機 MC9S12XS128 為控制器， 最小系統(tǒng)原理圖如圖 33 所示，主要包括單片機供電、復位電路 、 時鐘電路 以及 BDM 接口電路 。 10MR512Y1XTAL22pfC1122pfC12GNDXTALEXTAL 圖 34 時鐘電路原理圖 單片機的外部復位電路可以使用按鈕和電容構成，也可以使用專門的復位芯片。 整個系統(tǒng)需要 3 種電源： (1) ， 為驅動電機供電。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。 847562U1BLM358AD814321U1ALM358ADOut4Vref1GND2VCC3ENC03GNDC1090KR4GND20KR1C810KR3C9NCGYRO 圖 38 ENC03 放大電路 姿態(tài)檢測模塊實物圖如圖 39 所示。由于內(nèi)部集成控制電路具有邏輯電平輸入功能，因此與單片機的接口電路就比較方便，且該集成驅動電路還具有電流檢測診斷、轉換率調(diào)整、死區(qū)時間生成以及過熱 、過壓、欠壓、過流和短路保護 等功能 。為實現(xiàn)速度的閉環(huán)控制，必須加入速度檢測裝置實