【正文】 IIC數(shù)據(jù)線SCLIIC時鐘線與加速度傳感器的數(shù)字接口一致，也是通過用SDA和SCL與主控芯片的硬件IIC接口進(jìn)行通訊，其應(yīng)用電路如圖8所示。這款器件提供一個16位數(shù)據(jù)輸出，以及可配置的低通和高通濾波器等嵌入式數(shù)字功能。250 dps～177。L3G4200D 是意法半導(dǎo)體(ST)近日推出一款業(yè)界獨創(chuàng)、采用一個感應(yīng)結(jié)構(gòu)檢測3 條正交軸向運動的3 軸數(shù)字陀螺儀。 (1) 陀螺儀傳感器L3G4200D加速度計主要是用來測量靜態(tài)加速度，而動態(tài)的加速度值對系統(tǒng)是一種干擾，用陀螺儀測量出車體的角速度信號能夠有效的去除動態(tài)的干擾，兩種裝置并用可以在動態(tài)條件下實時的計算出自平衡車的傾角信息(馮智勇等，2011)。 圖7 加速度傳感器測量角度原理圖7是以傳感器為基準(zhǔn)簡建立的三維坐標(biāo)系，從傳感器讀出的數(shù)據(jù)通過一定的運行可以算出傳感器的各類傾斜角，其中，θ正是平衡車要消除的角度，車身傾斜角度可以通過公式(1)計算出。將電源模式設(shè)置為低功耗模式，以減小對鋰電池的消耗?？刹捎霉潭ǖ? mg/LSB 分辨率模式，176。 16g這三個量程，在此應(yīng)該設(shè)置為177。 4g，177。ADL345具有可設(shè)置的多個量程，即177。當(dāng)INT1或者INT2發(fā)生低電平時，表明傳感器內(nèi)部數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，此時可通過IIC接口讀出加速度計三個軸的數(shù)據(jù)。表1 ADXL345 引腳功能管腳功能VDDGND地RESERVED廠家保留功能VSCS片選信號INT1中斷引腳1INT2中斷引腳2NC懸空SDAIIC數(shù)據(jù)線SCLIIC時鐘線ADXL345的各引腳功能如表1所示。低功耗模式支持基于運動的智能電源管理，從而以極低的功耗進(jìn)行閾值感測和運動加速度測量。的傾斜角度變化。它可以在傾斜檢測應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運動或沖擊導(dǎo)致的動態(tài)加速度(張志強(qiáng)，2011)。該加速度傳感器電路的應(yīng)用電路如圖6所示。 16g。圖5 系統(tǒng)方框圖4 主要芯片介紹和系統(tǒng)模塊硬件設(shè)計 加速度傳感器ADXL345MEMS(MicroElectroMechanical Systems)微機(jī)電系統(tǒng)有一類傳感器是加速度傳感器。此外，為了調(diào)試方便，除了設(shè)計了上述給模塊外，還擴(kuò)展了JLINK接口，使用的是SWD模式，用于仿真調(diào)試，同時擴(kuò)展了串口電路，在系統(tǒng)運行時將需要觀察的數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)诫娔X上，以記錄數(shù)據(jù)和繪出數(shù)據(jù)波形，查看濾波和PID效果。綜上所述，本設(shè)計使用兩個6V帶有減速齒輪的直流有刷電機(jī)驅(qū)動兩輪自平衡小車。但是由于本設(shè)計負(fù)載較輕，換向器和電刷的損耗較低。方案三：直流有刷電機(jī)。直流無刷電機(jī)具有直流有刷電機(jī)機(jī)械特性好、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點，而且無刷電機(jī)沒有換向器和電刷，可靠性高，壽命長。步進(jìn)電機(jī)雖然可以使用細(xì)分驅(qū)動方式克服上述缺點，但是細(xì)分驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且功耗增大不適合用于電池供電的應(yīng)用上。步進(jìn)電機(jī)的選擇角度正比于脈沖數(shù)，有較寬的調(diào)速范圍，可以采用開環(huán)方式控制；步進(jìn)電機(jī)有較大的輸出轉(zhuǎn)矩；有優(yōu)秀的起制動性能；控制精度較高，誤差不會累積。并為了簡化電路，最終選擇了均為IIC接口的陀螺儀傳感器L3G4200和加速度傳感器ADXL345。優(yōu)點是能測出準(zhǔn)確穩(wěn)定的傾角，但融合算法比較復(fù)雜。該方案的優(yōu)點是陀螺儀的動態(tài)性能很好，在動態(tài)下測出的角速度沒有太多的混雜成分，缺點是陀螺儀具有靜態(tài)漂移，即靜態(tài)下，陀螺儀仍然會輸出數(shù)值，而積分卻一直在進(jìn)行，因此靜態(tài)時，測出來的角度并不是0176。方案二：使用陀螺儀傳感器進(jìn)行測量。重力加速度傳感器(gsensor)能過輸出以其芯片為中心的三軸加速度，通過這三個軸的重力加速度便可以計算出芯片的傾角，即車體的傾角。從性能和價格上綜合考慮選擇方案一，即用STM32作為本系統(tǒng)的主控芯片，由于外設(shè)比較簡單，只需要IIC和PWM通道，因此具體型號定位為STM32RBT6。性價比低。方案三：采用宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2增強(qiáng)型51單片機(jī)作為主控芯片。提高了指令執(zhí)行速度(1Mips/MHz)，克服了瓶頸現(xiàn)象，增強(qiáng)了功能。強(qiáng)型系列時鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能，是16位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。 3 系統(tǒng)方案分析與選擇論證 系統(tǒng)方案設(shè)計 主控芯片方案方案一：采用意法半導(dǎo)體(ST)公司的STM32單片機(jī)作為主控芯片。其整體控制環(huán)路圖3所示。但自然界存在各式各樣的干擾，θ角度總不為0，只要產(chǎn)生θ角，即使角度很小，M的方向與H的方向亦產(chǎn)生了角度，合力不為0，根據(jù)牛頓運動定律可知，θ角度將越來越大，直至車體傾倒在地上。 圖2 平衡車受力分析圖理想狀態(tài)下，當(dāng)M(車體重力)的方向與H(車輪支持力)的方向相差180176。 兩輪車傾倒原因的受力分析兩輪車是一個高度不穩(wěn)定系統(tǒng)，在重力作用下車體姿態(tài)本征不穩(wěn)定，致使在沒有外加調(diào)控下必然傾倒的現(xiàn)象(張三川，2011)。2 兩輪平衡車的平衡原理 平衡車的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖1 平衡車機(jī)械結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的自平衡車結(jié)構(gòu)種類繁多，但都?xì)w根于圖1的基本結(jié)構(gòu)，因此，本設(shè)計將使用圖1的結(jié)構(gòu)，車體由三層組成，從上到下依次是電池層，主控層，電機(jī)驅(qū)動層，電池層用于放置給整個系統(tǒng)供電的6V鋰電池，主控層由主控芯片最小系統(tǒng)和傳感器模塊組成，電機(jī)驅(qū)動層接受單片機(jī)信號，并控制電機(jī)。 本文的研究內(nèi)容本文研究內(nèi)容有兩輪自平衡小車的姿態(tài)檢測算法，PID控制算法兩方面。深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院等設(shè)計的兩輪自平衡小車Opyanbot，應(yīng)用最優(yōu)控制與兩輪差動等控制方法設(shè)計了控制器,提出了針對兩輪自平衡機(jī)器人平衡和行進(jìn)的新策略。瑞士聯(lián)邦工學(xué)院的工業(yè)電子實驗室為模擬人類行走設(shè)計并制造了一個基于倒立擺理論的兩輪小車，該小車使用DSP控制，車架上方附有重物模擬實際車中的駕駛員，該小車使用陀螺儀和電機(jī)編碼器得到的信息來穩(wěn)定系統(tǒng)。日本村田制作所的科學(xué)家研發(fā)了騎獨輪車的機(jī)器人“村田頑童”和“村田婉童”。Legway是第一個自平衡機(jī)器人。 國外研究成果美國Lego公司Steve Hassenplug設(shè)計了兩輪自平衡傳感式機(jī)器人Legway。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀美國、日本、瑞士等國家在研究自平衡車領(lǐng)域起步較早，目前已經(jīng)達(dá)到了先進(jìn)的水平。理論研究意義。車身小巧，轉(zhuǎn)彎靈活，可以在狹窄、大轉(zhuǎn)角的工作場合作業(yè)。自平衡車巧妙地利用地心引力使其自身保持平衡，并使得重力本身成為運動動能的提供者，載重越大，行駛動能也就越大，具有環(huán)保的特點(胡春亮等，2007)。文中最后通過實驗驗證了自平衡小車軟硬件控制方案的可行性。本文在總結(jié)和歸納國內(nèi)外對兩輪自平衡小車的研究現(xiàn)狀，提出了自己的兩輪自平衡小車軟硬件設(shè)計方案，小車硬件采用陀螺儀和加速度傳感器檢測車身的重力方向的傾斜角度和車身輪軸方向上的旋轉(zhuǎn)加速度，數(shù)據(jù)通過控制器處理后，控制電機(jī)調(diào)整小車狀態(tài)，使小車保持平衡。本科畢業(yè)設(shè)計基于PID控制器的兩輪自平衡小車設(shè)計摘 要兩