【正文】 其中 R_angle 為放大倍數(shù)，可調(diào)節(jié)補(bǔ)償度。 22 圖 卡爾曼濾波截圖 自平衡 PID控 制算法 兩輪自平衡小車有 2 個(gè)平面運(yùn)動(dòng)， 2 個(gè)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)等 4 個(gè)方面，其中平行的雙輪是起到一個(gè)驅(qū)動(dòng)的作用。對(duì)于兩輪自平衡小車來(lái)說(shuō)，利用左右車輪的速度差可以控制其運(yùn)動(dòng)方向，利用左右車輪的加速度可以調(diào)節(jié)好小車的平衡。兩輪自平衡小車在平地上進(jìn)行運(yùn)作時(shí)，該系統(tǒng)包括了平衡和運(yùn)動(dòng)等兩個(gè)控制方向，然而其中的平衡控制是要求小車的車身能夠保持一個(gè)相對(duì)直立的狀態(tài)，其實(shí)就是讓車子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的俯仰角 A 保持在設(shè)計(jì)者所期望的數(shù)值附近。 圖 小車 PID平衡控制原理 如圖 ， r(t)為設(shè)定的傾角值等于 0， c(t)為實(shí)際傾角值， e(t)為兩者的差值， a(t)為角加速值， v(t)為實(shí)際速度值， Cont(s)為 PID 控制器模型， M(S)為電機(jī)模型， V(s)為小車模型， Sen1(s)為陀螺加速度計(jì)傳感器模型， Sen2(s)為光電傳感器模型。在 Cont(s)中對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)利用公式 1進(jìn)行整定輸出相應(yīng)的 PWM 波。 (角度： Angle， x 軸角速度： Giroux， 車體速度的積 分： Position，Cont（ s） M（ S） V（ S） Sen2（ s） Sen1（ s） e(t) PWM v(t) a(t) c(t) r(t)=0 + 23 車體速度 ： Speed， 比例參數(shù) ： Kp 和 Kps，微分參數(shù) Kd 和 Kis)。 通過(guò)對(duì) PID 公式進(jìn)行變換，得到 PWM 輸出表達(dá)式，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，其計(jì)算公式為： PWM=Kp*Angle+Kd*Gyro_x+Kis*Position+ Kps*Speed （ 2） 首先，通過(guò) Matlab 來(lái)進(jìn)行仿真，確定 PID 控制器 4 個(gè)參數(shù)的大致范圍及比例關(guān)系，再利用實(shí)驗(yàn)法來(lái)確定 PID 算法中的各個(gè)參數(shù)，具體步驟如下： (1)首先要確定角度的比例參數(shù)和微分參數(shù)這兩個(gè)數(shù)值，這樣才能按照先劃分比例后微分的過(guò)程運(yùn)算。開(kāi)始，先把比例參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，讓小車模型可以在保證豎立的同時(shí)前后晃動(dòng)。緊接著，慢慢的 對(duì)微分參數(shù)進(jìn)行酌量增加，然后小車模型慢慢的朝平衡的方向趨于穩(wěn)定。之后慢慢增加微分的參數(shù)到小車模型開(kāi)始隨時(shí)一起震動(dòng)為止，此時(shí)所調(diào)出的微分參數(shù)就是此次試驗(yàn)的最大數(shù)值。求出最大值后慢慢減少微分參數(shù)，再伴隨著增加比例參數(shù)，到小車模型回到共振狀態(tài)為止，由此能夠得出比例參數(shù)的最大值。最后，適當(dāng)減少比例參數(shù)。在之前得到的參數(shù)數(shù)值的周圍進(jìn)行舉例分析，最后找出一組能夠讓小車模型動(dòng)態(tài)平衡的最優(yōu)參數(shù)。 (2)在試驗(yàn)中還需要對(duì)小車車速的微分參數(shù) Kis 和比例參數(shù) Kps 進(jìn)行分析和選擇，我們也能夠使用相應(yīng)的方法，慢慢的增加比例參數(shù)，讓小 車模型先在一定平衡點(diǎn)周圍有規(guī)律的運(yùn)轉(zhuǎn)，然后按一定比例增加微分參數(shù)，讓小車模型可以較快的在平衡點(diǎn)處停住，最后對(duì)微分和比例控制參數(shù)進(jìn)行分析和適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，讓車模在外力的沖擊下能夠很快趨于靜止?fàn)顟B(tài)。然后經(jīng)過(guò)多次分析調(diào)整的測(cè)試，能夠先確定速度控制參數(shù)的最優(yōu)組合的一個(gè)初步意見(jiàn)。 5 實(shí)物展示 圖 為小車實(shí)物圖以及各個(gè)模塊的標(biāo)注，圖 和圖 則是小車的正面和側(cè)面拍攝圖片。 圖 小車實(shí)物圖 24 圖 小車正面照 圖 小車側(cè)面照 6 設(shè)計(jì)總結(jié) 25 本設(shè)計(jì)采用紅外遙控器來(lái)控制小車行進(jìn)， 選取了 MPU6050 芯片來(lái)使得組合陀螺儀和加速器之間的一些問(wèn)題。 采用卡爾曼濾波和互補(bǔ)濾波算法得到比較準(zhǔn)確的傾角與角加速度值， 最后 利用 PID 算法 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算從而 快速調(diào)節(jié) 驅(qū)動(dòng) 電機(jī)， 讓完成之后的雙輪小車 在保持穩(wěn)定 的 條件下， 完成前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等多種功能 。 在本次完成論文的過(guò)程中，我學(xué)到了很多知識(shí)，以前課本上面不懂的知識(shí)，也在實(shí)踐當(dāng)中弄懂了，以前有所了解的問(wèn)題，也加深了其了解程度。并且在完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)間里，通過(guò)自己的動(dòng)手操作，在實(shí)際操作中學(xué)習(xí)，才能更加透徹學(xué)到知識(shí)。 參考文獻(xiàn)： [1]彭丁聰 ． 卡爾曼濾波的基本原理及應(yīng)用 [J]． 軟件導(dǎo)刊 ， 2021(11)： 3234． [2]賴義漢 ． 王凱 ． 基于 MPU6050 的雙輪平衡車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J]． 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Components Industries， 2021： 110． [15]Liu pengprocess． Based onAT89S51 digital temperature measurement and display system design[D]． 2021：33． 26 致謝 經(jīng)過(guò)了為期 兩個(gè)月的時(shí)間 ，我把 這篇論文 順利完成了 ， 雖然 在 寫(xiě) 論文的 時(shí)候，我 遇到了很多的困難 ， 但慶幸的是 同學(xué)和老師 都熱 情的 幫 我解決了 。 在這里我尤其要由衷的 感謝我的論文指導(dǎo)老師 —— 毛鵬 老師， 他在理論知識(shí)方面悉心的指導(dǎo)我，在手動(dòng)方面也是不遺余力的幫主我，兒 不厭其煩 的 對(duì)我的論文 進(jìn)行 評(píng)價(jià)、指正 和 修改 。 此外，還有許多老師，同學(xué)也都給過(guò)我意見(jiàn)和幫助，在此我表示深深的謝意，在寫(xiě) 這篇文章時(shí)我還查找了很多專家學(xué)者的書(shū)籍，由此給了我很大的啟發(fā)，如果沒(méi)有這些優(yōu)秀的書(shū)籍和成果，我相信這篇文章也同樣不會(huì)這么順利的完成。最后，雖然我努力完善了這篇論文，但是因?yàn)楸救说闹R(shí)有限，所以肯定有一些不盡人意的地方，希望各位導(dǎo)師進(jìn)行鑒定和指導(dǎo) ！ 27 附錄： 程序： */ include include include include include include include void ClockInit(void)。 /* ********************************************** **函數(shù)名 ： void main(void) **函數(shù)功能：初始化所有資源并打開(kāi)中斷，進(jìn)入低功耗 **返回參數(shù)：無(wú) **傳入?yún)?shù)：無(wú) ********************************************** */ float Angle。 //小車最終傾斜角度 float Gyro_y。 //Y 軸陀螺儀數(shù)據(jù)暫存 float PWM。 //綜合 PWM 計(jì)算 int PWM_R。 //右輪 PWM 值計(jì)算 int PWM_L。 //左輪 PWM 值計(jì)算 static float Kp = 。 //PID 參數(shù) static float Kd = 。 //PID 參數(shù) static float Kpn = 。 //PID 參數(shù) static float Ksp = 。 //PID 參數(shù) int num=0。 float position。 uchar flag1=0,flag2=0。 //********************************************************* //電機(jī) PWM 值計(jì)算 28 //********************************************************* void PWM_Calcu(void) { if(Angle40||Angle40) //角度過(guò)大，關(guān)閉電機(jī) { TBCCR1 = 0。 TBCCR2 = 0。 TBCCR3 = 0。 TBCCR4 = 0。 return。 } PWM = Kp*Angle + Kd*Gyro_y。 //PID：角速度和角度 PWM_R = PWM。 PWM_L = PWM。 PWM_Motor(PWM_L,PWM_R)。 } void int_cap() { TACTL|=TASSEL1+MC1+TACLR。 //選擇 SMCLK 時(shí)鐘 1MHZ 作為計(jì)數(shù)脈沖，不分頻， MC1為 continuous 模式 (0~0xFFFF) TACTL|=ID_3。 TACCTL1|=CM_1+CAP+SCS+CCIE。//上升沿觸發(fā)捕捉 ,使能 CCIFG 標(biāo)志位的中斷 // TACCTL2|=CM0+SCS+CAP+CCIE。 P1SEL|=BIT2。 //選擇 P12,P13 作為捕捉的輸入端子 P1DIRamp。=~BIT2。 } pragma vector=TIMERA1_VECTOR __interrupt void Timer_A(void)//中斷服務(wù)程序 { switch(TAIV) { case 2:{flag1=1。num++。}break。//TAIV 為 2，表示 TACCR1 的 CCIFG 置 1，置捕捉標(biāo)志為 1 29 case 4:{flag2=1。}break。//TAIV 為 4，表示 TACCR2 的 CCIFG 置 1，置捕捉標(biāo)志為 1 case 10:break。//溢出中斷 TAIFG 置 1 } } void main(void) { WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD。 // 關(guān)閉看門狗 float result_accel,result_gyro,a。 // 轉(zhuǎn)換結(jié)果緩存 char sum1[10],sum2[10]。 // 串口發(fā)送緩存 float filter_result[2]。 // 緩存濾波后的傾角值和傾角加速度值 _DINT()。 //關(guān)閉總中斷 ClockInit()。 InitMPU6050()。 // 初始化模塊 DELAY_MS(200)。 SerInit(1)。 // 串口初始化，使能接收 int_cap()。 _EINT()。 // 使能中斷 InitPWM()。 while(1) { // DELAY_MS(300)。 result_accel = Mpu6050AccelAngle(ACCEL_XOUT)。 // 測(cè)量加速度傳感器的 Y 軸值 result_gyro = Mpu6050GyroAngle(GYRO_YOUT)。 // 測(cè)量陀螺儀的 X 軸值 AngleCalcu(result_accel,result_gyro,filter_result)。// 卡爾曼濾波及融合 Angle=filter_result[0]。 Gyro_y=filter_result[1]。 PWM_Calcu()。 /* if( Gyro_y=0) { num=num。 } position=*num。 num=