【導(dǎo)讀】近年來，兩輪自平衡車的研究與應(yīng)用獲得了迅猛發(fā)展。本文提出了一種兩輪自平衡小。裝置，使用卡爾曼濾波完成陀螺儀數(shù)據(jù)與加速度計(jì)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)融合。系統(tǒng)選用飛思卡爾32. 位單片機(jī)KiisK60為控制核心，通過濾波算法實(shí)現(xiàn)車身控制，人機(jī)交互等。同時(shí)在引入適量干擾情況下小車能夠自主調(diào)整并迅速恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。學(xué)習(xí)掌握嵌入式系設(shè)計(jì)的全過程；學(xué)習(xí)掌握基于ARMCortex-M4內(nèi)核的KiisK60系列單片機(jī)的工作原理及應(yīng)用；設(shè)計(jì)基于PID控制的兩輪自平衡車模型系統(tǒng)的工作原理圖及PCB版圖；越來越復(fù)雜，這就要求移動(dòng)機(jī)器人必須能夠適應(yīng)一些復(fù)雜的環(huán)境和任務(wù)。如何解決機(jī)器人在這些環(huán)境中運(yùn)行的問題，逐漸成為研究者關(guān)心的問題[1]。動(dòng)來保持車身的平衡，并且還能夠在直立平衡的情況下行駛。由于特殊的結(jié)構(gòu)，其適。應(yīng)地形變化能力強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)靈活，可以勝任一些復(fù)雜環(huán)境里的工作。

　　

【正文】 G y r o* R g y r o + ( R a c c = R e s t ( n ) (式 13) 即： w G yr o )+ (1 / ) w G yr o* R x G y r o + ( R x A c c = R x E s t ( n ) (式 14) w G y r o )+ (1 / ) w G y r o* R y G y r o + ( R y A c c = R y E s t ( n ) (式 15) w G y r o )+ (1 / ) w G y r o* R z G y r o + ( R z A c c = R z E s t ( n ) (式 16) 而小車的傾角為： w G y r o )+ (1 / ) w G y r o* R z G y r o + ( R z A c c = R z E s t ( n ) (式 17) 電路調(diào)試 加速度計(jì) 測試結(jié)果 理論上 只需要加速度就可以獲得車模的傾角，再對此信號(hào)進(jìn)行微分便可以獲得傾角速度。但在實(shí)際車模運(yùn)行過程中，由于車模本身的擺動(dòng)所產(chǎn)生的加速度會(huì)產(chǎn)生很大的干擾 信號(hào)，它疊加在上述測量信號(hào)上使得輸出信號(hào)無法準(zhǔn)確反映車模的傾角，如圖 17 所示。 16 圖 17 車 運(yùn)動(dòng)引起的加速度信號(hào)波動(dòng) 下圖是實(shí)際測量安裝在車模上 MMA7260 的 Z軸信號(hào)。車模傾角在兩個(gè)角度位置過渡，看到除了角度變化信號(hào)之外，還存在由于運(yùn)動(dòng)引起的電壓波動(dòng)，這個(gè)電壓波動(dòng)隨著車模運(yùn)動(dòng)速度增加會(huì)變得很大。 圖 18 實(shí)際測量加速度計(jì) Z 軸信號(hào) 陀螺儀 測試結(jié)果 在車模上安裝陀螺儀，可以測量車模傾斜角速度，將角速度信號(hào)進(jìn)行積分便可以得到車模的傾角 ， 如圖 19 所示。由于陀螺儀輸出的是車模的角速度，不會(huì)受到車體運(yùn)動(dòng)的影響，因此該信號(hào)中噪聲很小 。車模的角度又是通過對角速度積分而得，這可進(jìn)一步平滑信號(hào)，從而使得角度信號(hào)更加穩(wěn)定。因此車模控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺儀所得到的信號(hào)。 17 圖 19 角速度積分得到角度 由于從陀螺儀角速度獲得角度信息，需要經(jīng)過積分運(yùn)算。如果角速度信號(hào)存在微小 的偏差和漂移，經(jīng)過積分運(yùn)算之后，變化形成積累誤差。這個(gè)誤差會(huì)隨著時(shí)間延長逐步 增加，最終導(dǎo)致電路飽和，無法形成正確的角度信號(hào)，如圖 20 所示。 圖 20 角速度積分漂移現(xiàn)象 消除上述誤差通過上面的加速度傳感器獲得的角度信息對此進(jìn)行校正。通過 對比積分所得到的角度與重力加速度所得到的角度，使用它們之間的偏差改變陀螺儀的 輸出，從而積分的角度逐步跟蹤到加速度傳感器所得到的角度，如圖 21 所示。 圖 21 通過重力加速度來矯正陀螺儀的角度漂移 18 4 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 本設(shè)計(jì)主要研究兩輪自平衡小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過相應(yīng)硬件與軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了兩輪自平衡小車的動(dòng)態(tài)平衡與運(yùn)動(dòng)控制。 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)以飛思卡爾公司 32位單片機(jī) K60為控制核心，采用壓電陀螺儀 L3G4200及 MEMS加速度計(jì) MMA7260構(gòu)成了慣性姿態(tài)檢測系統(tǒng)，通過 H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速，最終實(shí)現(xiàn)了兩輪自平衡車的姿態(tài)檢測與平衡控制。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上比較了各類濾波器優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合本系統(tǒng)硬件構(gòu)架設(shè)計(jì)了以卡爾曼濾波器為核心的數(shù)據(jù)融合算法。通過卡爾曼濾波器將陀螺儀與加速度計(jì)的輸出融合為準(zhǔn)確的傾角與角速度輸出，為系統(tǒng)的控制提供了有力保障。 本設(shè)計(jì)的控制策略采用 PID控制算法。通過對小車的運(yùn)動(dòng)建模，構(gòu)建了小車運(yùn)動(dòng)控制的 PD控制算法，并對 PID參 數(shù)進(jìn)行了整定。 本設(shè)計(jì)最終實(shí)現(xiàn)了兩輪自平衡小車的平衡控制及運(yùn)動(dòng)控制。 由于時(shí)間及個(gè)人能力原因，本設(shè)計(jì)完成的兩輪自平衡小車只是一種簡單的模型。本設(shè)計(jì)還有以下方面可以繼續(xù)研究和提高： (1)采用大型車架及驅(qū)動(dòng)電機(jī)，設(shè)計(jì)出可以載人的兩輪自平衡小車。 (2)研究機(jī)械機(jī)構(gòu)對兩輪自平衡車的控制的影響。 (3)采用高規(guī)格陀螺儀及加速度計(jì)，提高系統(tǒng)姿態(tài)檢測精度。 (4)使用速度更快的控制器，如 DSP， X86等，提高系統(tǒng)控制速度。 (5)研究并應(yīng)用先進(jìn)數(shù)據(jù)融合算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。 (6)采用先進(jìn)控制算法，如 LQR最優(yōu)控制，模 糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，提高控制系統(tǒng)性能。 19 參 考 文 獻(xiàn) [1]趙杰 ,王曉宇 ,秦勇等 .基于 UKF 的兩輪自平衡機(jī)器人姿態(tài)最優(yōu)估計(jì)研究 [J].機(jī)器人 . 2020: (11),605— 609. [2]邵貝貝 . 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) [LC／ OSⅡ (第 2 版 )[M]. 北京．清華大學(xué)出版社． 2020 [3]張志強(qiáng) . 基于 KINETIS K60 的雙輪平衡車 [J]. 電子設(shè)計(jì)工程， 2020， 35(2)： 1116. [4]馮智勇，曾瀚，張力等 . 基于陀螺儀及加速度計(jì)信號(hào)融合的姿態(tài)角度測量 [J]. 西南師范大學(xué) 學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 )， 2020， 24(4)： 1215. [5] 霍亮 .兩輪自平衡電動(dòng)車的關(guān)鍵技術(shù)研究 [D].哈爾濱 :哈爾濱工程大學(xué) ,2020. [6]謝芳，楊紅果 . 數(shù)字 PID 改進(jìn)算法的分析與實(shí)現(xiàn) [J]. 焦作師范高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)， 2020，21(02)： 1316 . [7]康華光 .電子技術(shù)基礎(chǔ) [M]..北京 :高等教育出版社 ,. [8]王效杰 . 基于變結(jié)構(gòu)控制的兩輪自平衡小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [D]. 西安電子科技大學(xué)， 2020， 10(13)： 2326. [9]仲志丹，張洛平，張青霞． PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)自尋優(yōu)控制在運(yùn)動(dòng)伺服中的應(yīng)用 [J] ．洛陽工學(xué)院學(xué)報(bào)， 2020， 21（ 1）： 57～ 60. [10]秦永元 ,張洪鉞 ,汪叔華 .卡爾曼濾波與組合導(dǎo)航原理 [M].西安 :西北工業(yè)大學(xué)出版社 , 1998. 20 附 錄 整體電路 ： 21 致 謝 感謝我的指導(dǎo)老師李錦明， 李 老師平時(shí)工作繁忙，但在我 課程 的每個(gè)階段他都悉心指導(dǎo) 。 他對待工作的認(rèn)真態(tài)度，對待科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)，對待他人的寬容善良為我今后的工作、學(xué)習(xí)和生活樹立了榜樣。 其次，我要感謝 孟 老師，在畢業(yè)設(shè)計(jì)及平時(shí)的 學(xué)習(xí)中遇到困難時(shí)， 孟 老師總是耐心和我們探討問題，幫助我們解決問題。同時(shí)在學(xué)習(xí)和生活上關(guān)心我們，當(dāng)我們遇到挫折時(shí)，總是鼓舞我們，給我們信心和幫助。 在這課程設(shè)計(jì)中，我深深的感受到了同學(xué)和朋友們的關(guān)懷和幫助，也因?yàn)樗麄兪刮叶冗^了美好的大學(xué)生活， 希望我們每一位同學(xué)都能取得一個(gè)好成績。