畢業(yè)論文基于msp430f149單片機(jī)的兩輪自平衡小車的設(shè)計(jì)與研究(編輯修改稿)
2025-07-02 06:19 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 w(t) = 1( 1 )tTmEK e? ()ut （ 29） 式中， E 為電壓； ()ut 為單位階躍函數(shù)； 1T 為慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)； mK 為電機(jī)轉(zhuǎn)速常數(shù)。對不同的電壓，電機(jī)的速度變化曲線如圖 23所示。 ??? eK IRUn泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 5 圖 23 電機(jī)在不同電壓下的速度 由圖 23 可以看出，電機(jī)運(yùn)動明顯分為兩個(gè)階段： 第一個(gè)階段是加速階段；第二個(gè)階段為恒速階段。其中，加速度階段，電機(jī)帶動小車后輪進(jìn)行加速度運(yùn)動，加速度近似和施加在電機(jī)上的電壓成正比，加速階段的時(shí)間長度取決于時(shí)間常數(shù)1T ，該常數(shù)由電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量、減速箱、小車的轉(zhuǎn)動慣量決定；在恒速階段，電機(jī)電動小車后輪進(jìn)行恒速運(yùn)行，運(yùn)行速度與施加在電機(jī)上的電壓成正比。 調(diào)整小車直立時(shí)間常數(shù)很小，此時(shí)電機(jī)基本上運(yùn)行在加速度階段。由上一節(jié)式（ 25）計(jì)算所得到的加速度控制量 a 再乘以 一個(gè)比例系數(shù)，即為施加在電機(jī)上的控制電壓，再有式（ 27）便可以計(jì)算出 ? 。從而由 MSP430F149 輸出相應(yīng)占空比 ? 的 PWM 波形，這樣便可以控制小車保持直立狀態(tài)。 要使的電機(jī)能夠快速穩(wěn)定在給定速度，必須要克服外部的擾動，就要引入帶有 PID 調(diào)節(jié)器的反饋控制。 式中， E 為電壓； ()ut 為單位階躍函數(shù)； 1T 為慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)； mK 為電機(jī)轉(zhuǎn)速常數(shù)。對不同的電壓，電機(jī)的速度變化曲線如圖 23所示 [2]。 W ( s )A S K+n ( s )U 圖 24 直流電機(jī)反饋控制方框圖 泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 圖 中， ()Ws為直流電機(jī)的傳遞函數(shù)； ASK 為 PID 調(diào)節(jié)器； ()ns 為直流電輸出的轉(zhuǎn)速（ rad/s）； U 為給定的電壓值。 在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，需要把直流電機(jī)運(yùn)行速度作為反饋量反饋到輸入端。由于數(shù)字測速具有測速精度高、分辨能力強(qiáng)、受器件影響小等優(yōu)點(diǎn)，因此，這里我們就引入光電編碼器作為電機(jī)測速裝置。 自平衡小車傾角的測量 在 節(jié)分析了自平衡小車直立控制的算法，通過測量小車的傾角和角速度控制小車車輪的加速的來消除小車的傾角。因此小車的傾角以及角速度的測量成為控制小車直立的關(guān)鍵。 加速度傳感計(jì)用于測量物體的線性加速度 [3]，加速度計(jì)的輸出值與傾角呈非線性關(guān)系，隨著傾角的增加而表現(xiàn)為正弦函數(shù) 變化。因此對加速度計(jì)的輸出進(jìn)行反正弦函數(shù)處理，才能得到其傾角值。測量數(shù)據(jù)噪聲與寬帶的平方根成正比，即噪聲會隨寬帶的增加而增加。 noicsV = * wug B （ 210） 式中， wB 為傳感器寬帶（單位為 HZ），如果要得到精確的傾角值，寬帶就需要設(shè)置的比較小，而這時(shí)速度加速計(jì)動態(tài)響應(yīng)慢，不適合跟蹤動態(tài)角度運(yùn)動，如果期望快速的響應(yīng)，又會 引入較大的噪聲。再加上其測量范圍的限制，使得單獨(dú)應(yīng)用加速度計(jì)傾角并不合適，需要與其他傳感器共同使用。 陀螺儀是用來測量角速度信號的，通過對角速度積分，便能得到角度值，陀螺儀本身極易受到噪聲干擾，微機(jī)械陀螺儀不能承受較大的震動，同時(shí)由于溫度變化、不穩(wěn)定力矩等因素，陀螺儀會產(chǎn)生漂移誤差，并會隨著時(shí)間的推移而累加變大，通過積分會使得誤差變得很大。因此，不能單獨(dú)使用陀螺儀作為測量角度器件，我們引入了減速傳感器，輔助陀螺儀工作。 測量車模傾角和傾角加速度通過加速度傳感器和陀螺儀共同實(shí)現(xiàn)，但是，在組合加速度傳感器和陀螺 儀的時(shí)候就會出現(xiàn)軸間差的問題，這就增加了設(shè)定給予的影響與感測器的漂移。所以我們就選用了 MPU6050。 MPU6050 是全球首例 9 軸運(yùn)動處理傳感器。它集成了 3 軸 MEMS 陀螺儀、 3 軸泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 MEMS 加速計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動處理器 DMP（ Digital Motion Processor)，可用 I2C接口輸出一個(gè) 9軸的信號。 MPU6050 對陀螺儀和加速度計(jì)分別用了三個(gè) 16 位的 ADC，將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。為了精確耿總快速和慢速的運(yùn)動，傳感器的測量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測范圍為 ?250， ?500， ? 1000， ? 20xx176。 /秒（ dps），加速度計(jì)可測范圍為 ?2， ?4， ?8， ? 16g。增加的數(shù)字運(yùn)動處理引擎可減少復(fù)雜的融合演算數(shù)據(jù)、感測器同步化、姿勢感應(yīng)等的負(fù)荷?；疽_圖如圖 25 所示。 圖 25 MPU6050 輸出三個(gè)方向的加速度模擬信號，三個(gè)方向的加速度模擬信號，如圖 26所示。 圖 26 輸出三軸方向 通過卡爾曼濾波有效的補(bǔ)償傳感器漂移與測量噪聲等因素對加速度計(jì)與陀螺泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 儀的影響，從而有效的將加速度計(jì)與陀螺儀信號融合。從而能夠 得到準(zhǔn)確的傾角值，然后通過一些算法，就可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制自平衡小車的平衡狀態(tài)。 總控制流程圖 本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總控制流程圖，如圖 27所示。 陀 螺 儀加 速 度 計(jì)LK+M+A S K W ( s )N ( s )U ( s )θw圖 27 系統(tǒng)總控制流程圖 根據(jù)系統(tǒng)總流程圖來設(shè)計(jì)自平衡小車的電路和程序來控制小車達(dá)到平衡狀態(tài)。 3 自平衡小車硬件電路的設(shè)計(jì) MSP430F149 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)選擇 TI 公司 MSP430F149，它體積小（ 64PIN TQFP），超低功耗，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，有強(qiáng)大的處理能力，并且豐富的片上 外圍模塊，使用起來非常的靈活，所以，很適合做一些較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)。自平衡小車單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖 31 所示。 所使用 F149 單片機(jī)的資源包括： ? 電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖接口： a) TA1（ PIN14）：右側(cè)電機(jī)光電碼盤脈沖； b) TA2（ PIN15）：左側(cè)電機(jī)光電碼盤脈沖。 ? 電機(jī) PWM 驅(qū)動接口： a) PWM03（ PIN37,38,39,40）：電機(jī)驅(qū)動。 ? 程序下載接口： a) （ PIN13）； 泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 b) TCK（ PIN56）； c) REST（ PIN57）； d) （ PIN22）。 ? 串口監(jiān)控接口： a) UTXT0（ PIN32）； b) URXT0（ PIN33）。 ? MPU6050 模塊接口 a) SDA（ PIN20）； b) SCL（ PIN33）。 圖 31 MSP430F149最小系統(tǒng)電路圖 電機(jī)驅(qū)動電路 由于自平衡小車具有兩個(gè)電機(jī)，因此需要兩組電機(jī)驅(qū)動電路。圖 32選用了L298N 驅(qū)動芯片組成
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