【正文】 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 。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。 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。 CPU12X 的寄存器組包括如下 5 個(gè)部分。 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。 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)。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]。需要不斷調(diào)整自身角度，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。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)。假設(shè)車輪運(yùn)動(dòng)使倒立擺具有的加速度為 α 。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。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。 (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。 PID 控制算法的實(shí)現(xiàn)以及直流電機(jī)調(diào)速的研究。 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)。 46 總結(jié) 40 姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)調(diào)試 39 5. 系統(tǒng)調(diào)試 32 陀螺儀與加速度計(jì)輸出值轉(zhuǎn)換 24 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 21 傾角傳感器信號(hào)調(diào)理電路 6 自平衡小車運(yùn)動(dòng)微分方程 3 本文主要研究目標(biāo)與內(nèi)容 Gyroscope。 Gesture detection。 9 PID 控制器設(shè)計(jì) 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)。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。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)。 (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。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 )。 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。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。 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。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。 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)。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?？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。 （ 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?？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。通過(guò) GSEL1 和 GSEL2 腳選擇靈敏度，本系統(tǒng)設(shè)置其靈敏度為 800mv/g。 基本特點(diǎn)如下： （ 1） 在 25C? 時(shí)導(dǎo)通電阻的典型值為 16m? ； （ 2） 低靜態(tài)電流，在 25C? 時(shí)的典型值僅為 7A? ； （ 3） 與主動(dòng)續(xù)流相結(jié)合的脈寬調(diào)制能力高達(dá) 25kHz； （ 4） 開(kāi)關(guān)電流限制降低功耗的過(guò)流保護(hù)； （ 5） 最大驅(qū)動(dòng)電流為 43A； （ 6） 具有電流檢測(cè)能力的狀態(tài)標(biāo)志診斷 ； （ 7） 具有鎖定行為的過(guò)熱關(guān)斷； （ 8） 過(guò)壓鎖定； （ 9） 欠壓關(guān)斷； （ 10） 帶有邏輯電平輸入的驅(qū)動(dòng)電路； （ 11） 用于優(yōu)化電磁干擾的可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換率。由于上橋臂采用的是 P 通道開(kāi)關(guān)，對(duì)于電荷泵的需求也就不復(fù)存在，因此電磁干擾減至了最小。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 IN3OUT41GND+5V100uFC9C11GND10uFC10C12C13C143V3220R5D110uHC15IN3OUT41GNDLM2940470ufC16C17C18GND+5V 圖 36 電 源 模塊 電路圖 傾角傳感器信號(hào)調(diào)理電路 加速度計(jì)電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用的加速度計(jì)是飛思卡爾公司三軸加速度計(jì) MMA7260。圖 34 為單片機(jī)最小系統(tǒng)時(shí)鐘 電路原理 圖。 CPU12X 的累加器 D 是 16 位的，但是可分別看成兩個(gè) 8 位累加器 A 和 B。簡(jiǎn)述了 卡爾曼 濾波器原理及其設(shè)計(jì)流程。隨著數(shù)字計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，卡爾曼濾波器得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用和推廣，尤其是在自主或協(xié)助導(dǎo)航領(lǐng)域。由于陀螺儀及其放大電路 存在溫漂 ，且需要經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算，最終會(huì)導(dǎo)致誤差 累積，致使檢測(cè)結(jié)果出錯(cuò)。 姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng) 兩輪自平衡車不同于普通傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的小車， 是一種本質(zhì)不穩(wěn)定非線性系統(tǒng)。 PID 控制器由比例單元（ P）、積分單元（ I）和微分單元（ D）組成。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 lm?mg ?sinmg ?cosma? 圖 26 非慣性系中的倒立擺受力分析 由于車輪做加速 運(yùn)動(dòng)，倒立擺會(huì)受額外的慣性力作用。阻尼力越大，單擺會(huì)越快停止在平衡位置。如人類身體擁有豐富的感知器官，通過(guò)大腦調(diào)節(jié)便可以控制腰部及腿部肌肉保持人體的直立。整個(gè)控制系統(tǒng)可以分為三個(gè)子系統(tǒng)： (1)小車 平衡控制：以小車傾角為輸入量，通過(guò)控制兩個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)保持小車 衡 。 本文主要研究目標(biāo)與內(nèi)容 本課題設(shè)計(jì)了一款兩輪自平衡小車，研究了車身姿態(tài)檢測(cè)中陀螺儀與加速 度傳感器的互補(bǔ)特性，并根據(jù)其特性比較并設(shè)計(jì)濾波算法，包括 卡爾曼 濾波，互補(bǔ)濾波等常用濾波算法。因此常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 卡門嘗試使用精密的陀螺儀來(lái)代替人類的前庭與耳蝸等平衡器官，以電動(dòng)馬達(dá)與車輪代替人類的雙腳，發(fā)展出所謂的 “ 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定 概念 [3]。 40 系統(tǒng)調(diào)試工具 6 兩輪自平衡小車受力 分析 關(guān)鍵詞： 兩輪自平衡 陀螺儀 姿態(tài)檢測(cè) 卡爾曼 濾波 數(shù)據(jù)融合 II Design of TwoWheel SelfBalance Vehicle Abstract In recent years, the research and application of twowheel selfbalanced vehicle have obtained rapid development. This paper presents a design scheme of twowheel selfbalanced vehicle. Gyroscope ENC03 and MEMS accelerometer MMA7260 constitute vehicle posture detection device. System adopts Kalman filter to plete the gyroscope data and accelerometer data fusion.， and adopts freescale16bit microcontrollerMC9S12XS128 as controller core. The center controller realizes the sensor signal processing the sensor signal processing, filtering algorithm and body control, humanmachine interaction and so on. Upon pletion of the entire system, each module can be normal and to coordinate work. The vehicle can keep balancing in unmanned condition. At the same time, the vehicle can be adjusted independently then quickly restore stability when there is a moderate amount of