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)
2025-07-21 16:38 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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)、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(kāi)[7]。整個(gè)系統(tǒng)需要3種電源： (1) ，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) ，為單片機(jī)、陀螺儀及加速度計(jì)供電。，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。電機(jī)供電直接采用電池供電如下圖所示。 圖9 5V電源模塊 圖10 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 編譯環(huán)境概述嵌入式軟件開(kāi)發(fā)有別于桌面軟件開(kāi)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(guò)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(kāi)發(fā)過(guò)程中我們使用IARSystems公司的IAREmbeddedWorkbenchforARM（簡(jiǎn)稱IAR環(huán)境）JLinkARMV8仿真器。EmbeddedWorkbenchforARM是IARSystems公司為ARM微處理器開(kāi)發(fā)的一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。比較其他的ARM開(kāi)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：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。圖12 系統(tǒng)軟件總流程圖系統(tǒng)上電復(fù)位后便開(kāi)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Kinetis 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。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(wèn)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： (式1)其中為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；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)： (式2)
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