基于arm的兩輪自平衡車模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2024-09-30 17:37 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圖 5 系統(tǒng)方框圖 主控電路 本設(shè)計(jì)的兩輪自平衡小車采用 K60N512VM100 單片機(jī)為主控芯片。 Kiis k60 是基于ARM CortexM4 具有 超強(qiáng)可擴(kuò)展性的低功耗、混合信號(hào)微控制器。主控及其外圍電路如圖6 所示 圖 6 主控芯片 編碼器電路 K60 主控芯片 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 加速度傳感 器MMA7260 陀螺儀L3G4200 狀態(tài)顯示 7 K60N512VM100 芯片電源類引腳， BGA封裝 22個(gè)， LQFP封裝 27個(gè)，其中 BGA 封裝 的芯片有五個(gè)引腳未使用（ A B C M5 和 L5）。芯片使用多組電源引腳分別為內(nèi) 部電壓調(diào)節(jié)器、 I/O 引腳驅(qū)動(dòng)、 A/D 轉(zhuǎn)換電路等電路供電，內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器為內(nèi)核和振蕩器 等供電。為了電源穩(wěn)定， MCU 內(nèi)部包含多組電源電路，同時(shí)給出多處電源引出腳，便于外 接濾波電容。為了電源平衡， MCU 提供了內(nèi)部相連的地 的多處引出腳，供電路設(shè)計(jì)使用 [5]。 K60系列 MCU具有 IEEE1588以太網(wǎng)、全速和高速 OTG、硬件解碼能力和干預(yù)發(fā)現(xiàn)能力。芯片從帶有 256KBflash的 100引腳的 LQFP封裝到 1MBflash的 256引腳的 MAPBGA封裝，具有豐富的電路、通信、定時(shí)器和控制外圍電路。高容量的 K60系列帶有一個(gè)可選擇的單精度浮點(diǎn)處理單元、 NAND控制單元和 DRAM控制器。這是一款非常穩(wěn)定且有潛力的 ARM控制系列的微控制器 [3]。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 本設(shè)計(jì)中使用直流有刷電機(jī)作為兩輪自平衡車的驅(qū) 動(dòng)電機(jī)，電機(jī)采用 H 橋驅(qū)動(dòng)方式，使用脈寬調(diào)制方式調(diào)節(jié)電機(jī)兩端電壓有效值，達(dá)到調(diào)速的目的。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用 4 片BTS7970 搭載成兩個(gè) H 橋來(lái)驅(qū)動(dòng)平衡車的兩個(gè)電機(jī)，具有輸出功率大，穩(wěn)定性好，保護(hù)措施好等優(yōu)點(diǎn) [8]。一個(gè) H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖 7 所示。 圖 7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 編碼器電路 為了使用閉環(huán)控制，我們?cè)谀Ｐ蜕细郊恿司幋a器。和其他元件相比，選用編碼器可以使電路更加完善，信號(hào)更加精確。編碼器功耗低，重量輕，抗沖擊抗震動(dòng)，精度高，壽命長(zhǎng)，非常8 實(shí)用。 K60 自身具有正交解碼功能，因此這里無(wú)需使用任何外圍 計(jì)數(shù)輔助器件，只需要將接口連接到單片機(jī)上相應(yīng)的接口即可 [3]，接口如圖 8 所示。 圖 8 編碼器的接口部分電路 供電電路 可靠的電源方案是整個(gè)硬件電路穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。電源模塊由若干相互獨(dú)立的穩(wěn)壓電路模塊組成。這樣做可以減少各模塊之間的相互干擾，另外為了進(jìn)一步減小單片機(jī)的5V 電源噪聲，可以單獨(dú)使用一個(gè) 5V 的穩(wěn)壓芯片，與其它接口電路分開 [7]。整個(gè)系統(tǒng)需要3 種電源： (1) 電源，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電。 (2) 5V 電源，為 編碼器 及相關(guān)外設(shè)供電。 (3) 電源，為 單片機(jī)、 陀螺儀及加速度計(jì)供電。 整個(gè)系統(tǒng)電源來(lái)源為 鎳氫電池， 5V 電源由 LM2940 提供。 LM2940 是一種線性低壓差三端穩(wěn)壓器件，其輸出紋波較小，適合單片機(jī)供電。 電源采用 LM1117。電機(jī)供電直接采用電池供電如 下 圖所示。 圖 9 5V 電源模塊 9 圖 10 電源模塊 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 編譯環(huán)境概述 嵌入式軟件開發(fā)有別于桌面軟件開發(fā)的一個(gè)顯著的特點(diǎn)，是它一般需要一個(gè)交叉編譯和調(diào)試環(huán)境，即編輯和編譯軟件在通常的 PC 機(jī)上 進(jìn)行，而編譯好的軟件需要通過寫入工具下載到目標(biāo)機(jī)上執(zhí)行，如 MK60N512VMD100 的目標(biāo)機(jī)上。在開發(fā)過程中我們使用IAR Systems 公司的 IAR Embedded Workbench for ARM （簡(jiǎn)稱 IAR環(huán)境）JLinkARMV8 仿真器。 Embedded Workbench for ARM 是 IAR Systems 公司為ARM 微處理器開發(fā)的一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境。比較其他的 ARM 開發(fā)環(huán)境， IAR 具有入門容易、使用方便和代碼緊湊等特點(diǎn) [2]。 IAR 中 包含一個(gè)全軟件的模擬程序 (simulator)。用戶不需要任何硬件支持就可以模擬各種 ARM 內(nèi)核、外部設(shè)備甚至中斷的軟件運(yùn)行環(huán)境。從中可以了解和評(píng)估 IAR 的功能和使用方法。 調(diào)試界面如圖所示： 10 圖 11 IAR 界面示意圖 系統(tǒng)軟件總體流程 系統(tǒng)軟件總體流程如圖 12 所示。 開 始系 統(tǒng) 初 始 化取 出 傳 感 器 數(shù) 據(jù)傳 感 器 互 補(bǔ) 濾 波 器P I D 調(diào) 節(jié) 器控 制 輸 出 P W M 電 機(jī) 控 制 信 號(hào)定 時(shí) 1 m s ？是定 時(shí) 1 6 m s ？發(fā) 送 串 口 數(shù) 據(jù)是否否 圖 12 系統(tǒng)軟件總流程圖 11 系統(tǒng)上電復(fù)位后便開始初始化各個(gè)功能模塊，并啟動(dòng)了 1ms 定時(shí)，每 1ms 進(jìn)行一次姿態(tài)估算和 PID 控制，即 1s 內(nèi)系統(tǒng)進(jìn)行了 1000 次姿態(tài) 調(diào)整。同時(shí)為了前期調(diào)試已經(jīng)查看數(shù)據(jù)，使用了主控的串口將程序中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)如估算出的最終角度等，上傳到電腦，以觀察數(shù)據(jù)的特性，上傳周期為 16ms。 系統(tǒng)初始化 系統(tǒng)初始化完成 Kiis K60 單片機(jī)的初始化設(shè)置，初始化程序流程圖如圖 13 所示。 開 始上 電 復(fù) 位中 斷 系 統(tǒng) 初 始 化時(shí) 鐘 系 統(tǒng) 初 始 化I/O引 腳 配 置IIC接 口 配 置串 口 配 置間 隔 定 時(shí) 器 配 置返 回 圖 13 系統(tǒng)初始化流程圖 PID控制器 當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量系統(tǒng)需要控制的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾 正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱 PID控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 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 [6]。 PID 控制器由比例單元（ P）、積分單元（ I）和微分單元（ D）組成。其輸入 e (t）與輸出 u (t）的關(guān)系為： 12 ? ? ? ? ? ? ? ?011 t D d e tu t K p e t e t d t TT d t??? ? ?????? (式 1) 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)。 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。 由小車靜止時(shí)其運(yùn)動(dòng)方程可得到系統(tǒng)輸入輸出傳遞函數(shù)： ? ? ? ?? ?21sHsgXs sl????
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