【正文】 interference. In addition, the vehicle also can achieve forward, backward, left and right turn and other basic movements. Key Words: TwoWheel SelfBalance。 Kalman filter。 2 系統(tǒng)設計 10 PID 控制器原理 17 MC9SXS128 單片機介紹 23 驅動芯片介紹 28 模 數(shù)轉換模塊（ ATD）初始化 30 測速模塊初始化 36 兩輪自平衡車的運動控制 40 系統(tǒng)硬件電路調試 比如， 戶外移動機器人需要在凹凸不平的地面上行走，有時環(huán)境中能夠允許機器人運行的地方比較狹窄等。 數(shù)學建模 系統(tǒng)模型的建立，有助于控制器設計，以及控制系統(tǒng)各項參數(shù)的確定。同時還需要設計直流電機驅動電路。 小車直立和方向控制任務都是直接通過 控制車模兩個后輪驅動電 機完成的，而速度控制則是通過調節(jié)小車傾角 完成的。這兩個條件缺一不可，實際上這就是控制系統(tǒng)中的負反饋機制，如圖 21 所示 。如果阻尼力過?。ㄇ纷枘幔?，常熟理工學院畢業(yè)設計（論文） 8 單擺會在平衡位置震蕩。假設控制系統(tǒng)中車輪加速度α與偏移角θ成正比關系，比例系數(shù)為 1k ，則式 24 可變換為： 1F mg mk???? （式 25） 若比例系數(shù) 1k g（ 重力加速度），則倒立擺所受合回復力的方向即與偏移方向相反。 PID 控制器設計 由小車靜止時其運動方程可得到系統(tǒng)輸入輸出傳遞函數(shù)： ? ? ? ?? ?21sHsgXs sl???? (式 212) 此時系統(tǒng)具有兩個極點：p gs l??。 慣性導航是依據(jù)牛頓慣性原理，利用慣性元件來 測量 運載體本身的加速度，經過積分和運算得到速度和位置，從而達到角度、角速度、 位置等姿態(tài)檢測的目的。本系統(tǒng)采用飛思卡爾公司利用 MEMS 微電子技術開發(fā)生產的三軸加速度計 MMA7260。 卡爾曼濾波器 的廣泛應用已經超過 30 年，包括機器人導航，控制，傳感器數(shù)據(jù)融合甚至在軍事方面的雷達系統(tǒng)以及導彈追蹤等等。系統(tǒng)主要由以下幾個模塊組成： MC9S12XS128 單片機最小系統(tǒng)硬件設計、電源模塊硬件設計、傾角傳感器信號調理電路設計、電機驅動電路設計、速度檢測電路。 三、功能模塊 MC9S12XS128 所擁有的增強型輸入捕捉定時器的特性如下： （ 1） 16 位自由運行時鐘， 8 位預分頻因子； （ 2） 8 個 16 位輸入捕捉或輸出比較； （ 3） 1 個 16 位脈沖累加器。加電后，由于電容的充電時間， RESET 保持低電平，單片機復位；一段時間后，電容電量充滿， RESET常熟理工學院畢業(yè)設計（論文） 21 端輸出高電平，此時單片機運行。電路如圖 37 所示。 驅動電路設計 采用兩片 BTS7960 構成全橋電機驅動電路如圖 310 所示。 常熟理工學院畢業(yè)設計（論文） 24 驅動芯片介紹 BTS7960 是 Infineon 公司 一款針對電機驅動應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 P 通道的 高邊 場效應管和一個 N 通道的 低邊 場效應管以及一個集成控制電路。電機供電直接采用電池 供電如圖 36 所示。 在單片機進入睡眠模式時，時鐘振蕩電路輸入端被內部 200 歐姆的下拉電阻拉低，振蕩電路停振，從而達到省電的目的。內部寄存器組中的寄存器、堆棧指針和變址寄存器均為 16 位。介紹了本系統(tǒng)使用的姿態(tài)檢測傳感器，分析了其性能特點。 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。陀螺儀輸出數(shù)據(jù)噪聲較常熟理工學院畢業(yè)設計（論文） 13 少，短時誤差較小。 控制系統(tǒng)的輸出量為電機控制量，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)。 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史， 以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、 調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。在此條件下再次分析倒立擺受力情況，如圖 26 所示 ?？諝庾枘崃εc單擺的速度成正比，方向相反。 平衡控制原理分析 控制小車平衡 的直觀經驗來自人類日常生活經驗。因此，從控制角度來看，可以將小車作為一個控制對象， 控制輸入量是兩個車輪的轉動速度。當然，也可以采用各類先進的控制算法，諸如基于狀態(tài)空間的 LQR（最優(yōu)控制）、模糊控制、 神經網絡等 [4]。所以當人 類的身體前傾時，這種不自主的反應會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、往前踏腳的動作循環(huán)，即構成了 “ 步行 ” 這種動作。 48 附錄二 系統(tǒng)核心源代碼 47 附 錄 46 展望 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)總體結構 24 速度檢測模塊設計 22 陀螺 儀放大電路設計 16 10 PID 控制器設計 小車還可以實現(xiàn)前進，后退，左右轉等基本動作。 Data fusion III 目 錄 5 自平衡小車數(shù)學模型 19 電源管理模塊設計 48 附錄一 系統(tǒng)電路原理圖 如何解決機器人在這些環(huán)境中運行的問題，逐漸成為研究者關心的 問題。系統(tǒng)數(shù)學模型建立的重點在于動力學方面，主要采用拉格朗日動力學方程以及牛頓力學定律的方法。 (3) 基于卡爾曼 濾波 的數(shù)據(jù)融合 ：由于陀螺儀測量的角速度 只在短時間 內穩(wěn)定而加速度傳感器的自身白噪聲很嚴重，因此根據(jù)其互補特性設計 卡爾曼 濾波器以得到準確穩(wěn)定的角度和角速度。小車不同的傾角會引起車模的加減速，從而達到對小車速度的控制。 常熟理工學院畢業(yè)設計（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反饋來實現(xiàn)的，與在指尖保持木棍直立比較則相對簡單。阻尼力過大（過阻尼）則導致單擺恢復平衡時間加長。這樣， 倒立擺便可以回復平衡位置，但是其調整時間過長。其中一個極點位于 s 平面的右半平面。其工作時不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式導航系統(tǒng) [7][8]。 MMA7260 是一種低 g 值 、小量程線性加速度傳感器， 在不運動或不受重力作用（ 0g）條件下輸出為 ，最大測量范圍 06g，靈敏度最高可到 800mV/g，MMA7260 實物如圖 210 所示。近年來更被應用于計算機圖像處理，例如頭臉識別，圖像分割，圖像邊緣檢測等等 [11][12]。系統(tǒng)硬件設計圖如下： 主 控 制 器M C 9 S 1 2 X S 1 2 8加 速 度 計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 驅 動直 流電 機測 速 模 塊編 碼 器 圖 31 硬件設計總體框圖 MC9SXS128 單片機介紹 本系統(tǒng)采用飛思卡爾公司（原摩托羅拉公司半導體事業(yè)部）的 MC9S12XS128 單片 機為控制核心。 MC9S12XS128 的脈寬調制模塊（ PWM）可設置成 8 通道 8 位或者 4 通道 16 位，占空比可編程，脈沖波形可中心對齊或邊緣對齊。手動復位時，按下手動復位按鈕， RESET 端保持低電平，單片機復位；釋放手動復位按鈕后， RESET 端輸出高電平，單片機工作。 XOUT15YOUT14ZOUT13SLEEP12gs_11g_s22VCC3GND4MMA7260GNDGNDACC_XACC_YACC_Z 圖 37 加速度計 MMA260 接口電路圖 陀螺儀放大電路設計 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。 由于電機啟動瞬間電流很大，會將整個系統(tǒng)電壓拉低，造成其他設備如單片機的工作不正常，因此要在電池電源輸入側加上較大濾波電容。由單片機的 PWM 模塊產生驅動波形， 通過改變 PWM 占空比實現(xiàn)直流電機的調速功能。 電源采用 AMS1117。本設計中采用的外部晶振為 16MHz，電容 C11 和 C12為外部時鐘的起振電容。通常外部采用 8MHz 或 16MHz 石英晶體振蕩器，可通過內部鎖相環(huán)使片內總線速度提升到最高 120MHz， 尋址方式有 16 種。解算出小車運動控制的傳遞函數(shù)并利用自動控制理論進行了分析，設計了兩輪自平衡車的 PID 控制器?？紤]到本系統(tǒng)使用的慣性器件特性較差，互補濾波在本質原理上不能彌補器件特性缺陷， 故 本系統(tǒng)采用 卡爾曼 濾波算法作為數(shù)據(jù)融合方法。 圖 29 陀螺儀 ENC03 陀螺儀直接輸出角速度，將角速度進行積分便可以得到角度。其中微分參數(shù)相當于阻尼力，可以有效抑制自平衡車 振 蕩。在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID控制，又稱 PID 調節(jié)。 通過控制 倒立擺底部車輪 ，使其做加速運動。由于空氣阻力的存在，單擺最終會停止在平衡位置。其中平衡控制是系統(tǒng)的最基本要求 ， 也是整個控制系統(tǒng)的難點。分析系統(tǒng)要 求 可知，保持小車直立和運動的動力都來自于小車的兩只車輪，車輪 由兩只直流 電機驅動。傳統(tǒng)的 PID 控制在各類工業(yè)場合有著廣泛的應用，完全可以滿足兩輪自平衡車的控制系統(tǒng)要求?？ㄩT觀察人類走路的姿勢特性，領悟到其實人類之所以可以平穩(wěn)地直立行走，是因為體內靈敏的平衡器官可以精確地判斷出身體重心的改變量，透過小腦的即時反應 ，然后利用腿部的肌肉即時出力來平衡傾倒的態(tài)勢。 25 編碼器電路設計 12 陀螺儀 同時在引入適量干擾情況下小車能夠自主調整并迅速恢 復穩(wěn)定狀態(tài)。 5 平衡控制原理分析 12 加速度計 22 電機驅動電路設計 27 28 鎖相環(huán)初始化 45 6. 總結與展望 兩輪自平衡機器人的概念正是在這樣一個背景下提出來的，這種機器