【導(dǎo)讀】近年來(lái)，兩輪自平衡車(chē)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16. 制，人機(jī)交互等。同時(shí)在引入適量干擾情況下小車(chē)能夠自主調(diào)整并迅速恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，后退，左右轉(zhuǎn)等基本動(dòng)作。研究背景與意義··················································································1. 兩輪自平衡車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)······································································2

　　

【正文】 受力分析，構(gòu)建了小車(chē)的運(yùn)動(dòng)模型并提出了小車(chē)的運(yùn)動(dòng)微分方程。解算出小車(chē)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(chē)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。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 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(kāi)，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： 主 控 制 器M C 9 S 1 2 X S 1 2 8加 速 度 計(jì)M M A 7 2 6 0陀 螺 儀E N C 0 3角 度角 速 度串 口 通 訊m a x 2 3 2H 橋 電機(jī) 驅(qū) 動(dòng)直 流電 機(jī)測(cè) 速 模 塊編 碼 器 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(chēng) S12 系列。MC9S12XS128 是 HCS12 系列的增強(qiáng)型產(chǎn)品?；?S12 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(xiàn)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(fǎng)問(wèn)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，常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 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]，一個(gè) MSCAN 模塊 .其功能模塊如圖 32 所示。 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(xiàn)速度 從 25MHz提升到 40MHz； 2）增加 GPage、 RPage、 EPage 頁(yè)面寄存器，可以實(shí)現(xiàn) 8MB 存儲(chǔ)空間連續(xù)尋址； 3）以?xún)?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(guò)內(nèi)部鎖相環(huán)使片內(nèi)總線(xiàn)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(lái)處理地址，可分別用于源地址和目的地址指針型常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 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)，可選用普通非歸零碼或 歸零碼；支持 LIN 總線(xiàn)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(guò)鎖相環(huán)頻率合成器產(chǎn)生更高單片機(jī)內(nèi)部總線(xiàn)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。 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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 。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 0. 1ufC8GNDM IS O 1/ P W M 0/ K W P 0/ P P 04M O S I1/ P W M 1/ K W P 1/ P P 13S CK 1/ P W M 2/ K W P 2/ P P 22S S 1/ P W M 3/ K W P 3/ P P 31IO C0/ P T 05IO C1/ P T 16IO C2/ P T 27IO C3/ P T 38IO C4/ P T 411IO C5/ P T 512IO C6/ P T 613IO C7/ P T 714A D D R0/ D A T A 0/ P B016A D D R1/ D A T A 1/ P B117A D D R2/ D A T A 2/ P B218A D D R3/ D A T A 3/ P B319A D D R4/ D A T A 4/ P B420ADDR5/DATA5/PB521ADDR6/DATA6/PB622ADDR7/DATA7/PB723XIRQ/PE040IRQ/PE139R/W/PE238LSTRB/TAGLO/PE337ECLK/PE427MODA/IPIPE0/PE526MODB/IPIPE1/PE625XCLKS/NOACC/PE724P A 0/ A D D R8/ D A T A 841P A 1/ A D D R9/ D A T A 942P A 2/ A D D R10/ D A T A 1043P A 3/ A D D R11/ D A T A 1144P A 4/ A D D R12/ D A T A 1245P A 5/ A D D R13/ D A T A 1346P A 6/ A D D R14/ D A T A 1447P A 7/ A D D R15/ D A T A 1548P A D 0/ A N 051P A D 1/ A N 152P A D 2/ A N 253P A D 3/ A N 354P A D 4/ A N 455P A D 5/ A N 556P A D 6/ A N 657P A D 7/ A N 7/ E T RIG 058PS0/RXD063PS1/TXD064PS2/RXD165PS3/TXD166XFC32VREGEN67RESET30EXTAL34XTAL35VDD249VDD19VDDX77VDDA59VDDR29VSS110VSS250VSSR28VSSX76VSSA62TEST36M O D C/ T A G H I/ BK G D15PM5/TXCAN2/TXCAN0/TXCAN4/SCK070PM4/RXCAN2/RXCAN0/RXCAN4/MOSI071PM3/TXCAN1/TXCAN0/SS072PJ7/KWJ7/TXCAN4/SCL68PJ6/KWJ6/RXCAN4/SDA69VDDPLL31VSSPLL33V RH60VRL61PM2/RXCAN1/RXCAN0/MISO073PM1/TXCAN0/TXB74PM0/RXCAN0/RXB75PWM7/KWP7/PP7/SCK278PWM5/KWP5/PP5/MOSI279PWM4/KWP4/PP4/MISO280M C9S 12X S 128V CCGNDGND GND0R2GND0. 1uFC190R4GNDV CCGND0. 1uFC100. 1uFC9GNDGNDV CCV CCGNDRESET 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(guò)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(xiàn)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。 10MR512Y1XTAL22pfC1122pfC12GNDXTALEXTAL 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(zhuān)門(mén)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(mǎn)， RESET常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 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。 VCCVCCC11S1SWPBBKGD RESET1 23 45 6BDMINHeader 3X2R251R3R4100 圖 35 復(fù)位及 BD M 接口電路 BDM 接口是 S12 單片機(jī)用來(lái)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(kāi)。 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。 整個(gè)系統(tǒng)電源來(lái)源為 鎳氫電池， 5V 電源由 LM2940 提供。 LM2940 是一種線(xiàn)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。 電源采用 AMS1117。電機(jī)供電直接采用電池 供電如圖 36 所示。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 IN3OUT41GND+5V100uFC9C11GND10uFC10C12C13C143V3220R5D110uHC15IN3OUT41GNDLM2940470ufC16C17C18GND+5V 圖 36 電 源 模塊 電路圖 傾角傳感器信號(hào)調(diào)理電路 加速度計(jì)電路設(shè)計(jì) 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(guò) 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。 XOUT15YOUT14ZOUT13SLEEP12gs_11g_s22VCC3GND4MMA7260GNDGNDACC_XACC_YACC_Z 圖 37 加速度計(jì) MMA260 接口電路圖 陀螺儀放大電路設(shè)計(jì) 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，其輸出為。主控單片機(jī) MC9S12XS128 的 ATD 模塊最高采集精度為 12bit， AD 基準(zhǔn)電壓為 ，計(jì)算得出最小分辨電壓為 ，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4 13RR? ，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(guò)電位器 調(diào)節(jié)，使零點(diǎn)偏置電壓保持在陀常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 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。 847562U1BLM358AD814321U1ALM358ADOut4Vref1GND2VCC3ENC03GNDC1090KR4GND20KR1C810KR3C9NCGYRO 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 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 為降低機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)的難度，本系統(tǒng)采用傳統(tǒng)四驅(qū)車(chē)模加以改 裝作為本設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)。車(chē)模動(dòng)力來(lái)自后輪兩個(gè)直流電機(jī)。由于兩輪自 平衡車(chē)在平衡過(guò)程中需要不斷前后運(yùn)動(dòng)調(diào)整車(chē)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(zhuān)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(guò)改變 PWM 占空比實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速功能。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 驅(qū)動(dòng)芯片介紹 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(kāi)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(guò)熱、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流和短路保護(hù) 等功能 。 基本特點(diǎn)如下： （ 1） 在 25C? 時(shí)導(dǎo)通電阻的典型值為 16m? ； （ 2） 低靜態(tài)電流，在 25C? 時(shí)的典型值僅為 7A? ； （ 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(kāi)關(guān)電流限制降低功耗的過(guò)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(guò)熱關(guān)斷； （ 8） 過(guò)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(guò)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。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 INH3IN2IS6SR5GND1OUT8OUT4VS7BTS7960INH3IN2IS6SR5GND1OUT8OUT4VS7BTS7960R1R3R8R9GNDPWM1C1C3C4C5PWM2GNDMOTOR1MOTOR2GNDGNDGND 圖 310 全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 速度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì) 兩輪自平衡小車(chē)的原理是利用地面對(duì)車(chē)輪的摩擦力抵消車(chē) 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)