【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 (式221)4. 后驗(yàn)狀態(tài)估計(jì) (式222)5. 后驗(yàn)誤差協(xié)方差 (式223)在上面各式中：A：作用在上的n階矩陣；B：作用在控制向量上的n1輸入控制矩陣；H：mn觀測(cè)模型矩陣，將真實(shí)狀態(tài)空間映射為觀測(cè)空間；：nn先驗(yàn)估計(jì)誤差協(xié)方差矩陣；：nn后驗(yàn)估計(jì)誤差協(xié)方差矩陣；Q：nn過程噪聲協(xié)方差矩陣；R：mm過程噪聲協(xié)方差矩陣；I：n階單位矩陣；：nm矩陣，稱之為卡爾曼增益。 本章闡述了小車平衡控制原理與所需條件。對(duì)小車進(jìn)行受力分析，構(gòu)建了小車的運(yùn)動(dòng)模型并提出了小車的運(yùn)動(dòng)微分方程。解算出小車運(yùn)動(dòng)控制的傳遞函數(shù)并利用自動(dòng)控制理論進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了兩輪自平衡車的PID控制器。介紹了本系統(tǒng)使用的姿態(tài)檢測(cè)傳感器，分析了其性能特點(diǎn)。簡(jiǎn)述了卡爾曼濾波器原理及其設(shè)計(jì)流程。本系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：可靠、高效、簡(jiǎn)潔?？煽啃允窍到y(tǒng)設(shè)計(jì)的第一要求，因此對(duì)電路設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)都進(jìn)行了電磁兼容性設(shè)計(jì)，做好各部分的接地、屏蔽、濾波等工作，將高速數(shù)字電路與模擬電路分開，從而大大提高本系統(tǒng)工作的可靠性。系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)模塊組成：MC9S12XS128單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、電源模塊硬件設(shè)計(jì)、傾角傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、速度檢測(cè)電路。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖如下：圖31 硬件設(shè)計(jì)總體框圖 MC9SXS128單片機(jī)介紹本系統(tǒng)采用飛思卡爾公司（原摩托羅拉公司半導(dǎo)體事業(yè)部）的MC9S12XS128單片機(jī)為控制核心。該單片機(jī)是飛思卡爾公司的16位HCS12系列單片機(jī)，簡(jiǎn)稱S12系列。MC9S12XS128是HCS12系列的增強(qiáng)型產(chǎn)品?；赟12的CPU內(nèi)核，可達(dá)到25MHz的HCS12的2~5倍性能。S12X系列增加了172條額外指令，可以執(zhí)行32位計(jì)算（共280條指令），總線頻率最高可以達(dá)到40MHz，改進(jìn)了中斷處理能力。S12X系列的CPU采用復(fù)雜指令集CISC架構(gòu)，集成了中斷控制器，有豐富的尋址方式。中斷有7個(gè)優(yōu)先級(jí)并且內(nèi)核支持優(yōu)先級(jí)的調(diào)度，最多可有117個(gè)中斷源，S12X可訪問最多8M的全部存儲(chǔ)空間(包括片內(nèi)和片外資源)[14][15]。MC9S12XS128采用的是5V供電，芯片內(nèi)部含有128K的Flash存儲(chǔ)器，8K的RAM，8K的EEPROM，兩路串行通信接口（SCI），一路串行外圍接口（SPI），八路定時(shí)器通道，兩個(gè)（80引腳為一個(gè)）八路可調(diào)轉(zhuǎn)換精度的A/D口，八路PWM輸出，91（80引腳為59）個(gè)離散數(shù)字I/O口[15][16]。圖32 MC9S12XS128單片機(jī)功能模塊示意圖一、MC9S12XS128主要特性1）最高總線速度從25MHz提升到40MHz；2）增加GPage、RPage、EPage頁面寄存器，可以實(shí)現(xiàn)8MB存儲(chǔ)空間連續(xù)尋址；3）以內(nèi)存代替EEPROM,編程簡(jiǎn)化；4）電源供電簡(jiǎn)化，不在需要外部PLL濾波電路器件；5）A/D從10位精度升為12位精度；6）內(nèi)部有容錯(cuò)、糾錯(cuò)功能ECC；7）CCR由8位改為16位，增加3個(gè)優(yōu)先級(jí)位，將中斷源細(xì)分為7級(jí)；8）SPI支持16位操作；9）有存儲(chǔ)保護(hù)設(shè)置、定時(shí)器功能增強(qiáng)，有四通道24位周期中斷定時(shí)器；10）不再支持模糊邏輯指令。二、通用寄存器S12X系列單片機(jī)的中央處理器CPU12X由以下三部分組成：算術(shù)邏輯單元ALU、控制單元和寄存器組。通常外部采用8MHz或16MHz石英晶體振蕩器，可通過內(nèi)部鎖相環(huán)使片內(nèi)總線速度提升到最高120MHz，尋址方式有16種。內(nèi)部寄存器組中的寄存器、堆棧指針和變址寄存器均為16位。CPU12X的累加器D是16位的，但是可分別看成兩個(gè)8位累加器A和B。CPU12X的寄存器組包括如下5個(gè)部分。（1）16為累加器D或8位累加器A和B；（2）16位變址寄存器X和Y，用來處理地址，可分別用于源地址和目的地址指針型變量運(yùn)算；（3）16位堆棧指針寄存器SP；（4）16位程序計(jì)數(shù)器PC，運(yùn)行時(shí)指向下一條指令的地址；（5）16位條件碼寄存器CCR，在這一點(diǎn)上和CPU12不同，要特別注意。三、功能模塊MC9S12XS128所擁有的增強(qiáng)型輸入捕捉定時(shí)器的特性如下：（1）16位自由運(yùn)行時(shí)鐘，8位預(yù)分頻因子；（2）8個(gè)16位輸入捕捉或輸出比較；（3）1個(gè)16位脈沖累加器。MC9S12XS128的脈寬調(diào)制模塊（PWM）可設(shè)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(duì)齊或邊緣對(duì)齊。MC9S12XS128的異步串行接口SCI有兩個(gè)，；支持LIN總線協(xié)議；有一個(gè)同步串行外設(shè)接口SPI。MC9S12XS128的J、H和P口有位輸入信號(hào)跳變沿產(chǎn)生中斷、喚醒CPU功能，根據(jù)封裝，最多可有20個(gè)帶位中斷的引腳。MC9S12XS128時(shí)鐘發(fā)生器可使用范圍2~16MHz的外部晶振頻率，通過鎖相環(huán)頻率合成器產(chǎn)生更高單片機(jī)內(nèi)部總線周期。當(dāng)外部時(shí)鐘缺失時(shí)，內(nèi)部提供自時(shí)鐘方式，直到外部時(shí)鐘恢復(fù)為止。本設(shè)計(jì)采用Freescale公司16位單片機(jī)MC9S12XS128為控制器，最小系統(tǒng)原理圖如圖33所示，主要包括單片機(jī)供電、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路以及BDM接口電路。由于單片機(jī)內(nèi)部集成了PIM、TIM、PWM、SPI、SCI、ECT、CAN、AD、PIT等模塊，因此使用方便。圖33 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖 時(shí)鐘電路可使用的外部晶振頻率范圍是2~16MHz，還可利用MCU內(nèi)部的5位可編程分頻因子，做2~64分頻，使之產(chǎn)生頻率非常穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。通過控制器內(nèi)的鎖相環(huán)電路（PLL）進(jìn)行倍頻，其壓控振蕩器（VCO）的頻率最高可達(dá)80MHz。對(duì)于S12XS芯片，允許使用的最高總線頻率為40MHz。本設(shè)計(jì)中采用的外部晶振為16MHz，電容C11和C12為外部時(shí)鐘的起振電容。在單片機(jī)進(jìn)入睡眠模式時(shí)，時(shí)鐘振蕩電路輸入端被內(nèi)部200歐姆的下拉電阻拉低，振蕩電路停振，從而達(dá)到省電的目的。圖34為單片機(jī)最小系統(tǒng)時(shí)鐘電路原理圖。圖34 時(shí)鐘電路原理圖單片機(jī)的外部復(fù)位電路可以使用按鈕和電容構(gòu)成，也可以使用專門的復(fù)位芯片?？紤]到產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)型，本設(shè)計(jì)中采用了由電阻電容構(gòu)成的簡(jiǎn)易復(fù)位電路，如圖35所示。加電后，由于電容的充電時(shí)間，RESET保持低電平，單片機(jī)復(fù)位；一段時(shí)間后，電容電量充滿，RESET端輸出高電平，此時(shí)單片機(jī)運(yùn)行。手動(dòng)復(fù)位時(shí)，按下手動(dòng)復(fù)位按鈕，RESET端保持低電平，單片機(jī)復(fù)位；釋放手動(dòng)復(fù)位按鈕后，RESET端輸出高電平，單片機(jī)工作。圖35 復(fù)位及BD M接口電路BDM接口是S12單片機(jī)用來連接BDM調(diào)試器的，BDM接頭通常設(shè)計(jì)為6針的雙排插頭，其中4個(gè)引腳分別為VDD,RESET,GND和BKGD(BACKGROUND)，另外2個(gè)針腳為空（如圖35）。 電源管理模塊設(shè)計(jì)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。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，為單片機(jī)及相關(guān)外設(shè)供電。(3) ，為陀螺儀及加速度計(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圖36所示。圖36 電源模塊電路圖本系統(tǒng)采用的加速度計(jì)是飛思卡爾公司三軸加速度計(jì)MMA7260。該加速度傳感器是一種低g值的傳感器，輸出信號(hào)很大，不需要再進(jìn)行放大。通過GSEL1和GSEL2腳選擇靈敏度，本系統(tǒng)設(shè)置其靈敏度為800mv/g。電路如圖37所示。圖37 加速度計(jì)MMA260接口電路圖本系統(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。主控單片機(jī)MC9S12XS128的ATD模塊最高采集精度為12bit，，因此不能直接對(duì)陀螺儀輸出信號(hào)進(jìn)行采集，需要設(shè)計(jì)放大電路。系統(tǒng)采用LM358（圖38 U1B）設(shè)計(jì)負(fù)反饋放大電路，放大倍數(shù)為，即放大10倍。同時(shí)，由于陀螺儀輸出會(huì)隨溫度而變化，影響系統(tǒng)傾角檢測(cè)精度，為抑制陀螺儀溫漂，需要在放大電路中設(shè)計(jì)零點(diǎn)偏置電壓調(diào)整電路。本系統(tǒng)中利用LM358(圖38 U1A)構(gòu)成電壓跟隨器，輸出電壓通過電位器調(diào)節(jié)，使零點(diǎn)偏置電壓保持在陀螺儀工作電壓的一半（），這樣可以有效抑制陀螺儀的溫漂，放大電路如圖38。圖38 ENC03放大電路姿態(tài)檢測(cè)模塊實(shí)物圖如圖39所示。圖39 姿態(tài)檢測(cè)模塊實(shí)物圖為降低機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來的難度，本系統(tǒng)采用傳統(tǒng)四驅(qū)車模加以改裝作為本設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)。車模動(dòng)力來自后輪兩個(gè)直流電機(jī)。由于兩輪自平衡車在平衡過程中需要不斷前后運(yùn)動(dòng)調(diào)整車身姿態(tài)，因此需要電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)雙向轉(zhuǎn)動(dòng)。為此，系統(tǒng)采用兩片專用半橋驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960構(gòu)成全橋式驅(qū)動(dòng)電路。由單片機(jī)的PWM模塊產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)波形，通過改變PWM占空比實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速功能。BTS7960 是Infineon公司一款針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)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(gè)P通道的高邊場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)N通道的低邊場(chǎng)效應(yīng)管以及一個(gè)集成控制電路。由于上橋臂采用的是P通道開關(guān)，對(duì)于電荷泵的需求也就不復(fù)存在，因此電磁干擾減至了最小。由于內(nèi)部集成控制電路具有邏輯電平輸入功能，因此與單片機(jī)的接口電路就比較方便，且該集成驅(qū)動(dòng)電路還具有電流檢測(cè)診斷、轉(zhuǎn)換率調(diào)整、死區(qū)時(shí)間生成以及過熱、過壓、欠壓、過流和短路保護(hù)等功能。基本特點(diǎn)如下： （1）在時(shí)導(dǎo)通電阻的典型值為； （2）低靜態(tài)電流，在時(shí)的典型值僅為； （3）與主動(dòng)續(xù)流相結(jié)合的脈寬調(diào)制能力高達(dá)25kHz； （4）開關(guān)電流限制降低功耗的過流保護(hù)； （5）最大驅(qū)動(dòng)電流為43A； （6）具有電流檢測(cè)能力的狀態(tài)標(biāo)志診斷； （7）具有鎖定行為的過熱關(guān)斷； （8）過壓鎖定； （9）欠壓關(guān)斷； （10）帶有邏輯電平輸入的驅(qū)動(dòng)電路； （11）用于優(yōu)化電磁干擾的可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換率。 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)采用兩片BTS7960構(gòu)成全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖310所示。由于電機(jī)啟動(dòng)瞬間電流很大，會(huì)將整個(gè)系統(tǒng)電壓拉低，造成其他設(shè)備如單片機(jī)的工作不正常，因此要在電池電源輸入側(cè)加上較大濾波電容。如圖310所示，PWM1和PWM2分別為兩個(gè)半橋的控制端口。當(dāng)PWM1為高電平，PWM2為低電平時(shí)，MOTOR1口即輸出高電壓，MOTOR2輸出低電壓，此時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)PWM1為低電平而PWM2為高電平時(shí)，MOTOR1口即輸出低電壓，MOTOR2輸出高電壓，此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。通過改變PMW1和PWM2端口的驅(qū)動(dòng)波形占空比改變輸出端電壓，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的目的。圖310全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路兩輪自平衡小車的原理是利用地面對(duì)車輪的摩擦力抵消車受到的重力，在本系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)中有兩路閉環(huán)控制，即傾角閉環(huán)控制以及速度閉環(huán)控制。為實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制，必須加入速度檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制中的反饋環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)測(cè)速模塊采用OMRON(歐姆龍)公司500線增量式旋轉(zhuǎn)編碼器如圖311。圖311旋轉(zhuǎn)編碼器編碼器內(nèi)部為一個(gè)中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號(hào)組合成A、B、C、D,每個(gè)正弦波相差90度相位差（相對(duì)于一個(gè)周波為360度），將C、D信號(hào)反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào)；另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位如圖312。圖312 編碼器A、B相輸出波形本系統(tǒng)用OMRON旋轉(zhuǎn)編碼器相關(guān)參數(shù)如表31所示：表31 編碼器參數(shù)表項(xiàng)目參數(shù)電源電壓DC 5V~12V，紋波的峰峰值小于5%消耗電流30mA以下分辨率500 脈沖/轉(zhuǎn)輸出相A、B、Z 三相輸出狀態(tài)集電極開路輸出最高輸出響應(yīng)42kHz輸出上升或下降時(shí)間1us 以下起動(dòng)轉(zhuǎn)矩1mNm以下軸允許力徑向 10N、軸向 5N允許最高轉(zhuǎn)速5000r/min質(zhì)量35g 編碼器電路設(shè)計(jì)由于編碼器采用集電極開路輸出，輸出波形為矩形波，因此編碼器外圍電路較為簡(jiǎn)單。需要在信號(hào)輸出端接入一個(gè)上拉電阻，即可將信號(hào)提供給單片機(jī)采集數(shù)據(jù)。如圖313所示，PULSE引腳為編碼器A相，接單片機(jī)的脈沖計(jì)數(shù)口，通過單片機(jī)的PACNT模塊對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)從而獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速。DIR為編碼器B相輸出，接單片機(jī)I/O口，通過A、B相位差進(jìn)行軟件鑒相，從而判斷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。圖313編碼器接口電路本設(shè)計(jì)中涉及多種傳感器的應(yīng)用，為使系統(tǒng)工作穩(wěn)定，完成設(shè)計(jì)要求，需要檢測(cè)各傳感器的工作狀態(tài)。同時(shí)還要對(duì)數(shù)據(jù)融合波形以及控制算法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。為此本設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)輔助調(diào)試模塊，常用的輔助調(diào)試模塊有RS232串口通信模塊，NRF905無線通信模塊，藍(lán)牙模塊，LCD模塊及SD卡模塊等。本設(shè)計(jì)采用RS232串口通信作為調(diào)試方法。計(jì)算機(jī)與MC9S12XS128之間使用RS232進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。采用MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。MAX232是MAXIM公司生產(chǎn)的一款電平轉(zhuǎn)換芯片，使用非常廣泛，單片機(jī)與PC機(jī)之間的通信通常會(huì)用到該芯片。芯片中有兩組轉(zhuǎn)換端口，能同時(shí)進(jìn)行兩路電平轉(zhuǎn)換。MAX232內(nèi)部集成了兩個(gè)電源電路，分別完成+5V→+10V和+10V→10V的電壓轉(zhuǎn)換，為通信提供電源。MAX232外部采用5V供電，其引腳輸出的電平范圍也是0~5V，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換電路如圖314所示。圖314 MAX232串口電平轉(zhuǎn)換電路本章重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，電源管理模塊硬件設(shè)計(jì)，陀螺儀ENC0