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)-資料下載頁
2025-06-24 16:38本頁面
【正文】 17所示。 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(cè)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(cè)量加速度計(jì)Z軸信號(hào) 陀螺儀測(cè)試結(jié)果 在車模上安裝陀螺儀，可以測(cè)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(duì)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?？刂扑枰慕嵌群徒撬俣瓤梢允褂猛勇輧x所得到的信號(hào)。 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(zhǎng)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(duì)此進(jìn)行校正。通過對(duì)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4 課程設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)主要研究?jī)奢喿云胶庑≤嚨脑O(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(cè)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(cè)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(duì)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(cè)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。參 考 文 獻(xiàn)[1]趙杰,王曉宇,[J].機(jī)器人. 2006: (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．2004[3]張志強(qiáng). 基于KINETIS K60的雙輪平衡車[J]. 電子設(shè)計(jì)工程，2011，35(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(cè)量[J]. 西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，24(4)：1215.[5] [D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2010.[6]謝芳，楊紅果. 數(shù)字PID改進(jìn)算法的分析與實(shí)現(xiàn)[J]. 焦作師范高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2010，21(02)：1316 .[7][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)， 2006，10(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)，2000，21（1）：57～60.[10]秦永元,張洪鉞,[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社, 1998.20附 錄整體電路：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(duì)待工作的認(rèn)真態(tài)度，對(duì)待科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)，對(duì)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(jī)。
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