畢業(yè)論文基于msp430f149單片機(jī)的兩輪自平衡小車(chē)的設(shè)計(jì)與研究-資料下載頁(yè)
2025-05-18 06:19本頁(yè)面
【導(dǎo)讀】的控制手段才能使之穩(wěn)定，是研究各種控制方法的一個(gè)理想平臺(tái)。車(chē)的運(yùn)行加速度，利用光電編碼器測(cè)得當(dāng)前運(yùn)行速度。依據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，通過(guò)微。行，從而來(lái)維持車(chē)體的平衡。本文選用MSP430F149單片機(jī)為控制器，光電編碼器。關(guān)鍵詞：兩輪自平衡小車(chē)，陀螺儀，加速度計(jì)，MSP430F149，光電編碼器，2自平衡小車(chē)自平衡設(shè)計(jì)原理-------------------------------------------1. 自平衡小車(chē)直立控制-------------------------------------------------------------------------------1. 自平衡小車(chē)傾角的測(cè)量-----------------------------------------------------------------------------6. 3自平衡小車(chē)硬件電路的設(shè)計(jì)-------------------------------------------8. 4自平衡小車(chē)軟件分析設(shè)計(jì)--------------------------------------------11. IIC通信程序設(shè)計(jì)---------------------------------------------------------------------------------12. PID調(diào)節(jié)器程序設(shè)計(jì)------------------------------------------------------------------------------15. 卡爾曼濾波器程-----------------------------------------------------------------------------------16. 國(guó)內(nèi)外有很多這方面的研究，也有相應(yīng)的產(chǎn)品。
【正文】 并 允 許 中 斷禁 止 捕 捉 中 斷恢 復(fù) 現(xiàn) 場(chǎng)禁 止 測(cè) 速 嗎 ？關(guān) 閉 旋 轉(zhuǎn) 編 碼 器 脈 沖 計(jì)數(shù) 器 和 高 頻 時(shí) 鐘 計(jì) 數(shù) 器中 斷 返 回NYY 泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 15 圖 43 計(jì)數(shù)程序方框圖 PID 調(diào)節(jié)器程序設(shè)計(jì) PI 調(diào)節(jié)器是電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中最常用的一種控制器，因此，可以把PID 中的微分環(huán)節(jié)省去。在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，可以先按 模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法。 在控制系統(tǒng)中，為了安全起見(jiàn)，常須對(duì)調(diào)解器的輸出實(shí)行限幅。在數(shù)字控制算法中，要對(duì) ()mkuu? 限幅，只須在程序內(nèi)設(shè)置限幅值 mu ，當(dāng) ()mkuu? 時(shí)，便以限幅值 mu 作為輸出。在這里我們是利用位置式來(lái)分析的設(shè)計(jì)的，而位置式必須同時(shí)設(shè)積分限幅和輸出限幅，缺一不可。若 沒(méi)有積分限幅，當(dāng)反饋大于給定，使調(diào)節(jié)器退出飽和時(shí)，積分項(xiàng)可能仍很大，將產(chǎn)生較大的退飽和超調(diào)。帶有積分限幅和輸出限幅的位置式數(shù)字 PI調(diào)節(jié)程序框圖如圖 44所示 [5]。 泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 16 u 1 ( k ) u m ?數(shù) 字 P I 調(diào) 節(jié)計(jì) 算 偏 差 e ( k )u 1 ( k )= K 1 T s a m e ( k )+ u 1 ( k 1 )u 1 ( k ) u m ?u 1 ( k )= K p e ( k )+ u 1 ( k )u ( k ) u m ?u ( k ) u m ?結(jié) 束u 1 ( k )= u m ?u ( k )= u m ?u 1 ( k )= u m ?u ( k )= u m ?YYNNYYN 圖 位置式數(shù)字 PI調(diào)節(jié)器程序框圖 卡爾曼濾波器程 卡爾曼濾波，是一種線性最小差估計(jì)，特點(diǎn)是考慮了系統(tǒng)的模型誤差和測(cè)量噪聲的統(tǒng)計(jì)特性。卡爾曼濾波的一般方程在許多文獻(xiàn)中有詳細(xì)討論，本文直接引用其結(jié)論 [8]。 設(shè)隨機(jī)線性離散系統(tǒng)的狀態(tài)方程為： 1|1k k k k k k kkx x u G ??? ? ? ? ? ? 觀測(cè)方程為： k k k ky cx v?? 式中 kx 為系統(tǒng)的狀態(tài)向量， ky 為系統(tǒng)的觀測(cè)序列， k? 為系統(tǒng)的過(guò)程噪聲序列，kv 為觀測(cè)噪聲序列， ku 為系統(tǒng)控制輸入， 1|kk?? 為狀 態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣， k? 、 kG 為系統(tǒng)矩陣， kc 為觀測(cè)矩陣。 泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 17 1) k? ， kv 為零均值白噪聲，滿足 ? ? ? ?0 , , ,k k f k f k k fTE Co v E Q? ? ? ? ? ???? ? ???和1 | | 1 | 1| 1 1 | 1 1 | 1 1 1^ ^ ^()k k k k k k k k k kk k k k k k k k k kTTx x K y c xP P G Q G? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?0 , , ,k k f k f k k fTE v Co v v v E v v R ???? ? ???，其中 kQ 為系統(tǒng)過(guò)程噪聲 k? 的對(duì)稱非負(fù)定型方差矩陣， kR 位系統(tǒng)觀測(cè)噪聲 kv 的對(duì)稱正定方差陣，均為可知的，而 kf? 為 1（當(dāng) k =f 時(shí)）或 kf? 為 0（當(dāng) k ? f 時(shí)）。 2) k? 和 kv 不相關(guān)，即 ? ?, , 0k f k fTCo v v v E v v??????，因?yàn)榭刂埔?guī)律 0ku? 。設(shè) k時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值為： | 1 | 1^ ^ ^()k k k k k k k kx x K y c x??? ? ?，卡爾曼濾波的遞推步驟如下是所示： 狀態(tài)一步預(yù)測(cè)值： 1 | | 1^^k k k k kxx???? 預(yù)測(cè)誤差方差： | 1 1 | 1 1 | 1 1 1k k k k k k k k k kTTP P G Q G? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? 濾波增益： | 1 | 1 1()k k k k k k k k kTTK P c c P c R?? ??? 最佳濾波值： | 1 | 1^ ^ ^()k k k k k k k kx x K y c x??? ? ? 濾波誤差方差： |1()k k k k kP I K c P ??? 以上即為集中式卡爾曼濾波的基本方程。只要給定濾波初值 0^x 和 0P ，根據(jù) k 時(shí)刻的觀測(cè) ky 就可遞推計(jì)算得此時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值 ^kx ?？芍诒鞠到y(tǒng)里面 ^kx 即為偏角 ? 。通過(guò)程序代碼實(shí)現(xiàn)上述表達(dá)式的功能，即為所需的卡爾曼濾波器的程序?qū)崿F(xiàn)。 5 結(jié)論 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)從準(zhǔn)備導(dǎo)師實(shí)踐的過(guò)程使自己學(xué)到了多。要完成一項(xiàng)具體的工程項(xiàng)目，只從大學(xué)里的理論基礎(chǔ)課本中的知識(shí)是無(wú)法進(jìn)行的。但是，理論也是必不可少的，理論是指導(dǎo)實(shí)踐的基礎(chǔ)。只通過(guò)實(shí)踐不進(jìn)行理論分析，那么實(shí)踐是盲目的，項(xiàng)目進(jìn)行的效率就會(huì)大大的折扣。我們?cè)诮窈蟮墓こ虒?shí)踐中要學(xué)會(huì)進(jìn)行理泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 18 論分析，擁有正確的理論依據(jù)，實(shí)踐將是高效的。之前，對(duì)于 PID、 PWM、濾波算法，有過(guò)一定的接觸，但是，確實(shí)沒(méi)有進(jìn)行過(guò)實(shí)踐，而這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)了自己在大學(xué)期間的欠缺。為自己今后的繼續(xù)的學(xué)習(xí)和工作打下了基礎(chǔ)，并且增加了在自動(dòng)化領(lǐng)域繼續(xù)探 討的信心與激情。 對(duì)于自己本次所選擇的課題，確實(shí)有巨大的研究意義與價(jià)值。自平衡系統(tǒng)無(wú)論在生活中，還是在航海、航天、導(dǎo)彈等領(lǐng)域有較廣闊的發(fā)展空間。通過(guò)此課題的研究相呼吁更多的大學(xué)生珍惜寶貴的大學(xué)時(shí)光，努力投身科研領(lǐng)域的研究，不僅能夠提高自己各方面的能力，而且為自己的未來(lái)打下良好的基礎(chǔ)，同時(shí)，也能夠促進(jìn)我國(guó)科技高新事業(yè)的快速發(fā)展。 泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 19 參考文獻(xiàn) [1]陳伯時(shí) .電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ,20xx： 3540. [2]王建輝，楊自厚 . 自動(dòng)控制原理 [M].北京：清華大學(xué)出版社， 20xx： 2224. [3]馮智勇，曾瀚，張力 .基于陀螺儀及加速度計(jì)信號(hào)融合的姿態(tài)角度測(cè)量 [J].西南大學(xué) . [4]桑勝舉 ,沈丁 . 單片機(jī)原理及應(yīng)用 [M].北京：中國(guó)鐵道出版社 ,20xx： 4552. [5]盛珣華 .計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) [M].北京：北京交通大學(xué)出版社 ,20xx： 1051. [6]洪利，章?lián)P，李世寶 .MSP43單片機(jī)與應(yīng)用實(shí)例詳解 [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社 ,20xx： 3257. [7]魏小龍 .MSP430 系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社 ,20xx： 7796. [8]王建東，王亞飛，張晶 .基于卡爾曼濾波器的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法 [J].重慶大學(xué) . 泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 20
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