基于pid控制器的兩輪自平衡小車設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2024-07-15 16:51 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 流有刷電機(jī)具有機(jī)械特性硬，響應(yīng)速度快，調(diào)速范圍寬的特點(diǎn)，滿足兩輪自平衡小車對靈敏性、快速性等要求，雖然電機(jī)的電刷會是電機(jī)的壽命縮短，還會引發(fā)電磁干擾。但是由于本設(shè)計(jì)負(fù)載較輕，換向器和電刷的損耗較低。小車采用多層機(jī)械結(jié)構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與其他電路分離，有效降低電磁干擾。綜上所述，本設(shè)計(jì)使用兩個(gè)6V帶有減速齒輪的直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩輪自平衡小車。 系統(tǒng)最終方案使用STM32RBT6為主控芯片，通過IIC接口讀取陀螺儀傳感器L3G4200和加速度傳感器ADXL345的數(shù)據(jù)，再將兩者數(shù)據(jù)融合測出小車的姿態(tài)，最終通過PID輸出PWM電機(jī)控制信號，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成對電機(jī)的控制。此外，為了調(diào)試方便，除了設(shè)計(jì)了上述給模塊外，還擴(kuò)展了JLINK接口，使用的是SWD模式，用于仿真調(diào)試，同時(shí)擴(kuò)展了串口電路，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)將需要觀察的數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)诫娔X上，以記錄數(shù)據(jù)和繪出數(shù)據(jù)波形，查看濾波和PID效果。系統(tǒng)方框圖如圖5所示。圖5 系統(tǒng)方框圖4 主要芯片介紹和系統(tǒng)模塊硬件設(shè)計(jì) 加速度傳感器ADXL345MEMS(MicroElectroMechanical Systems)微機(jī)電系統(tǒng)有一類傳感器是加速度傳感器。ADXL345是一款由ANALOG DEVICES 公司生產(chǎn)3軸加速度計(jì)，功耗低，包分辨率高(13位)，測量范圍達(dá)177。 16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過SPI(3線或4線)或I2C數(shù)字接口訪問。該加速度傳感器電路的應(yīng)用電路如圖6所示。圖6 加速度傳感器電路ADXL345非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用。它可以在傾斜檢測應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度(張志強(qiáng)，2011)。其高分辨率()，176。的傾斜角度變化。其集成式存儲器管理系統(tǒng)采用一個(gè)32級先進(jìn)先出(FIFO)緩沖器，可用于存儲數(shù)據(jù)，從而將主機(jī)處理器負(fù)荷降至最低，并降低整體系統(tǒng)功耗。低功耗模式支持基于運(yùn)動(dòng)的智能電源管理，從而以極低的功耗進(jìn)行閾值感測和運(yùn)動(dòng)加速度測量。數(shù)字接口讓加速度傳感器的外圍電路變得很簡單，主控芯片通過IIC即可初始化該芯片并讀取三軸的加速度值。表1 ADXL345 引腳功能管腳功能VDDGND地RESERVED廠家保留功能VSCS片選信號INT1中斷引腳1INT2中斷引腳2NC懸空SDAIIC數(shù)據(jù)線SCLIIC時(shí)鐘線ADXL345的各引腳功能如表1所示。圖6所示為ADXL345的應(yīng)用電路，圖中INT1(Interrupt1)1號中斷線與INT2(Interrupt)2號中斷線與STM32的外部中斷引腳連接，SDA(synchronous Data Adapter)同步數(shù)據(jù)銜接器與SCL(Serial Communication Loop)串行通信環(huán)路引腳通過上拉電阻與主控芯片的硬件IIC接口連接，進(jìn)行IIC通訊。當(dāng)INT1或者INT2發(fā)生低電平時(shí)，表明傳感器內(nèi)部數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，此時(shí)可通過IIC接口讀出加速度計(jì)三個(gè)軸的數(shù)據(jù)。在讀取三軸加速度數(shù)據(jù)之前，應(yīng)對ADXL345進(jìn)行必要的初始化。ADL345具有可設(shè)置的多個(gè)量程，即177。 2g，177。 4g，177。 8g，177。 16g這三個(gè)量程，在此應(yīng)該設(shè)置為177。 16g滿量程?？刹捎霉潭ǖ? mg/LSB 分辨率模式，176。的傾角變化。將電源模式設(shè)置為低功耗模式，以減小對鋰電池的消耗。使能引腳中斷，單片機(jī)可以通過此外部中斷，觸發(fā)對三軸加速度數(shù)據(jù)的讀取，用中斷觸發(fā)的方式可以較少系統(tǒng)計(jì)算周期，提高電機(jī)有效控制頻率。 圖7 加速度傳感器測量角度原理圖7是以傳感器為基準(zhǔn)簡建立的三維坐標(biāo)系，從傳感器讀出的數(shù)據(jù)通過一定的運(yùn)行可以算出傳感器的各類傾斜角，其中，θ正是平衡車要消除的角度，車身傾斜角度可以通過公式(1)計(jì)算出。式(1)中，A是各軸輸出的加速度分量。 (1) 陀螺儀傳感器L3G4200D加速度計(jì)主要是用來測量靜態(tài)加速度，而動(dòng)態(tài)的加速度值對系統(tǒng)是一種干擾，用陀螺儀測量出車體的角速度信號能夠有效的去除動(dòng)態(tài)的干擾，兩種裝置并用可以在動(dòng)態(tài)條件下實(shí)時(shí)的計(jì)算出自平衡車的傾角信息(馮智勇等，2011)。本方案采用的陀螺儀傳感器型號是L3G4200。L3G4200D 是意法半導(dǎo)體(ST)近日推出一款業(yè)界獨(dú)創(chuàng)、采用一個(gè)感應(yīng)結(jié)構(gòu)檢測3 條正交軸向運(yùn)動(dòng)的3 軸數(shù)字陀螺儀。該3軸數(shù)字陀螺儀讓用戶可以設(shè)定全部量程，量程范圍從 177。250 dps～177。2000 dps，低量程數(shù)值用于高精度慢速運(yùn)動(dòng)測量，而高量程則用于測量超快速的手勢和運(yùn)動(dòng)。這款器件提供一個(gè)16位數(shù)據(jù)輸出，以及可配置的低通和高通濾波器等嵌入式數(shù)字功能。其應(yīng)用引腳功能如表2所示。表2 L3G4200 引腳功能管腳功能VDDGND地RESERVED廠家保留功能VSCS片選信號INT中斷引腳NC懸空SDAIIC數(shù)據(jù)線SCLIIC時(shí)鐘線與加速度傳感器的數(shù)字接口一致，也是通過用SDA和SCL與主控芯片的硬件IIC接口進(jìn)行通訊，其應(yīng)用電路如圖8所示。圖8 陀螺儀傳感器電路從圖8可看出L3G4200的應(yīng)用電路比較簡單，不需外接模數(shù)轉(zhuǎn)換器等負(fù)責(zé)的電路，使用極其方便。通過IIC接口即可讀出三軸的角速度，再將讀出的數(shù)據(jù)乘以所設(shè)置的量程對應(yīng)的敏感度，即可得出每個(gè)周的角速度，單位為dps(degree per second)。 主控電路本設(shè)計(jì)的兩輪自平衡小車采用STM32F103R8單片機(jī)為主控芯片。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM CortexM3內(nèi)核。STM32F103R8具有以下特點(diǎn)：采用ARM 32位CortexM3內(nèi)核，最高時(shí)鐘頻率72MHz，,快速的指令執(zhí)行速度使主控芯片能夠運(yùn)行復(fù)雜的濾波和控制算法。提高控制器的實(shí)時(shí)控制能力。片內(nèi)高達(dá)64kB Flash和20kB SRAM，為復(fù)雜的算法程序提供足夠的存儲和運(yùn)行空間。兩個(gè)12位的16通道模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC),轉(zhuǎn)換速度高達(dá)1Msample/s，ADC支持規(guī)則轉(zhuǎn)換序列和注入轉(zhuǎn)換序列兩種轉(zhuǎn)換模式，支持DMA模式，轉(zhuǎn)換結(jié)果的搬運(yùn)不需要CPU干預(yù)，提高程序運(yùn)行效率。主控及其外圍電路如圖9所示圖9 主控芯片及其外圍電路圖9中控制電路包括主控芯片、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、模擬電路供電電路。時(shí)鐘采用8MHz外部晶振作為時(shí)鐘源，通過主控芯片內(nèi)部PLL倍頻后使主控芯片運(yùn)行在72MHz。主控芯片為低電平復(fù)位，復(fù)位電路通過阻容電路構(gòu)成上電復(fù)位電路。最小系統(tǒng)還引出了不需要使用的SPI，IIC，UART等接口，方便后續(xù)功能的擴(kuò)張和調(diào)試。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本設(shè)計(jì)中使用減速直流有刷電機(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[7]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖10所示。圖10所示電路只給出了半橋驅(qū)動(dòng)電路，H橋左右兩個(gè)橋臂電路完全相同。圖10 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本設(shè)計(jì)采用MOSFET作為驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)器件，MOSFET型號為IRFR1205，開啟電壓最大值為VGS=，適合電池供電的應(yīng)用；在VGS=10V時(shí)，RDS=，低導(dǎo)通電阻一方面提高開關(guān)效率，另一
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