【正文】 對(duì)于直立控制而言存在較大優(yōu)勢(shì)。方案二的優(yōu)勢(shì)在于轉(zhuǎn)向慣量較小，轉(zhuǎn)向靈活，重心低于方案一。缺點(diǎn)在于電池高度過(guò)高，導(dǎo)致重心整體偏高。 電池安裝方案一。為了降低重心，我們對(duì)車模各個(gè)部件進(jìn)行了稱重，具體數(shù)據(jù)如下：部件質(zhì)量（克）前底板100電路板（包含驅(qū)動(dòng)）72MEMS電路板10測(cè)速編碼器36電池300從上表中不難看出，質(zhì)量最大的部件是電池，同時(shí)，電池的位置可以方便更改，所以我們決定嘗試改動(dòng)電池的安裝位置。在無(wú)法修改電機(jī)的情況下，必須對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。歐姆龍編碼器體積較大，我們將其放置在車輪上方，自己設(shè)計(jì)了碳纖維支架以及齒輪，使編碼器可靠安裝于車身上。同時(shí)，為了控制的簡(jiǎn)便，我們使用了雙向增量式編碼器。 車模地盤安裝測(cè)速編碼器對(duì)于攝像頭組以及光電組而言，起到速度閉環(huán)的作用，而對(duì)于兩輪車的選題，編碼器不僅起到速度閉環(huán)，還對(duì)直立控制有很重要的作用，因此，編碼器對(duì)于電磁組兩輪車而言，是不可或缺的一部分。兩部分的連接可以采用彈性連接或者剛性連接。下圖為速度閉環(huán)的控制框圖。每10個(gè)直立控制周期進(jìn)行一次速度控制。由于系統(tǒng)對(duì)于靜態(tài)誤差存在一定要求，所以使用PI控制器。而速度閉環(huán)控制仍然可以看做是一個(gè)SISO系統(tǒng)。在直立控制下的車模速度與車模傾角之間傳遞函數(shù)具有非最小相位特性，在反饋控制下容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。如此循環(huán)，車模很快就會(huì)傾倒。在車模直立控制下，為了能夠有一個(gè)往前的傾斜角度，車輪需要往后運(yùn)動(dòng)，這樣會(huì)引起車輪速度下降（因?yàn)檐囕喭?fù)方向運(yùn)動(dòng)了）。首先對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單例子進(jìn)行分析。假設(shè)車模在上面直立控制調(diào)節(jié)下已經(jīng)能夠保持平衡了，但是由于安裝誤差，傳感器實(shí)際測(cè)量的角度與車模角度有偏差，因此車模實(shí)際不是保持與地面垂直，而是存在一個(gè)傾角。由于在速度控制過(guò)程中需要始終保持車模的平衡，因此車模速度控制不能夠直接通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，必須要引入速度閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)框圖如下：在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，倒立擺可以進(jìn)行短時(shí)間的直立，但是會(huì)朝向一個(gè)方向加速運(yùn)行，最后車模會(huì)倒下。分析系統(tǒng)要求，僅有P控制器，系統(tǒng)極易發(fā)散造成不穩(wěn)定，而積分環(huán)節(jié)對(duì)于這個(gè)需要快速調(diào)整的系統(tǒng)，要求不大。而使用陀螺儀獲得的角速度比對(duì)卡爾曼濾波后求微分獲得的角速度更準(zhǔn)確，而D控制器輸入變量正好是角速度，所以此處使用PID完全沒有問(wèn)題。這里需要進(jìn)行解釋，為何有兩個(gè)輸入變量任然可以使用SISO系統(tǒng)才能使用PID。那么在這個(gè)前提下，只有兩個(gè)速度量：角度和角速度；被控變量只有角度。為了使系統(tǒng)具有更好的線性，首先需要對(duì)電機(jī)死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)傳統(tǒng)的PID反饋控制，便可以精確控制電機(jī)的運(yùn)行速度，從而控制車模的運(yùn)行速度。由上一節(jié)式（23）計(jì)算所得到的加速度控制量a再乘以一個(gè)比例系數(shù)，即為施加在電機(jī)上的控制電壓，這樣便可以控制車模保持直立狀態(tài)。其中，在加速階段，電機(jī)帶動(dòng)車模后輪進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)，加速度近似和施加在電機(jī)上的電壓成正比，加速階段的時(shí)間長(zhǎng)度取決于時(shí)間常數(shù)，該常數(shù)由電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、減速齒輪箱、車模的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量決定；在恒速階段，電機(jī)帶動(dòng)車模后輪進(jìn)行恒速運(yùn)行，運(yùn)行速度與施加在電機(jī)上的電壓成正比。對(duì)應(yīng)不同的電壓。對(duì)于電機(jī)的電磁模型、動(dòng)力學(xué)模型以及車模的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析和簡(jiǎn)化，可以將電機(jī)運(yùn)動(dòng)模型簡(jiǎn)化成如下的一階慣性環(huán)節(jié)模型。（3）通過(guò)電機(jī)差速控制，可以實(shí)現(xiàn)車模方向控制。但是通過(guò)速度控制，可以提高車模穩(wěn)定性。（2）通過(guò)電機(jī)速度控制，實(shí)現(xiàn)車模恒速運(yùn)行和靜止。車模運(yùn)行速度是通過(guò)控制車輪速度實(shí)現(xiàn)的，車輪通過(guò)車模兩個(gè)后輪電機(jī)經(jīng)由減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)，因此通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪的運(yùn)動(dòng)控制。其中， 決定了車模是否能夠穩(wěn)定到垂直位置，它必須大于重力加速度；決定了車?；氐酱怪蔽恢玫淖枘嵯禂?shù)，選取合適的阻尼系數(shù)可以保證車模盡快穩(wěn)定在垂直位置。為角速度；kk2均為比例系數(shù)；兩項(xiàng)相加后作為車輪加速度的控制量。因此式（21）可變?yōu)? （22）按照上面的控制方法，可把倒立擺模型變?yōu)閱螖[模型，能夠穩(wěn)定在垂直位置。顯然，如果，（g是重力加速度）那么回復(fù)力的方向便于位移方向相反了。這樣站在小車上（非慣性系）看倒立擺，它就會(huì)受到額外的力(慣性力)，該力與車輪的加速度方向相反，大小成正比。由此，能夠做的顯然只有第二種方式。圖 在車輪上參照系中車體受力分析倒立擺之所以不能像單擺一樣可以穩(wěn)定在垂直位置，就是因?yàn)樵谒x平衡位置的時(shí)候，所受到的回復(fù)力與位移方向相同，而不是相反！因此，倒立擺便會(huì)加速偏離垂直位置，直到倒下。存在一個(gè)阻尼臨界阻尼系數(shù)，使得單擺最快穩(wěn)定在平衡位置。阻尼力會(huì)使得單擺最終停止在垂直位置。圖 單擺在不同阻尼下的運(yùn)動(dòng)情況總結(jié)單擺能夠穩(wěn)定在垂直位置的條件有兩個(gè)：（1） 受到與位移（角度）相反的恢復(fù)力；（2） 受到與運(yùn)動(dòng)速度相反的阻尼力。阻尼力越大，單擺越會(huì)盡快在垂直位置穩(wěn)定下來(lái)。在空氣中運(yùn)動(dòng)的單擺，由于受到空氣的阻尼力，單擺最終會(huì)停止在垂直平衡位置。圖 普通的單擺受力分析當(dāng)物體離開垂直的平衡位置之后，便會(huì)受到重力與懸線的作用合力，驅(qū)動(dòng)重物回復(fù)平衡位置。直立著的車?？梢钥闯煞胖迷诳梢宰笥乙苿?dòng)平臺(tái)上的倒立著的單擺。下面通過(guò)對(duì)比單擺模型來(lái)說(shuō)明保持車模穩(wěn)定的控制規(guī)律。圖 通過(guò)車輪運(yùn)動(dòng)控制保持車體直立那么車輪如何運(yùn)行，才能夠最終保持車體垂直穩(wěn)定？為了回答這個(gè)問(wèn)題，一般的做法需要建立車模的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)設(shè)計(jì)最優(yōu)控制來(lái)保證車模的穩(wěn)定。因?yàn)檐嚹Ｓ袃蓚€(gè)輪子著地，因此車體只會(huì)在輪子滾動(dòng)的方向上發(fā)生傾斜。圖 通過(guò)反饋保持木棒的直立車模直立也是通過(guò)負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)的。這兩個(gè)條件缺一不可，實(shí)際上就是控制中的負(fù)反饋機(jī)制。這需要兩個(gè)條件：一個(gè)是托著木棒的手掌可以移動(dòng)；另一個(gè)是眼睛可以觀察到木棒的傾斜角度和傾斜趨勢(shì)（角加速度）。 車模直立控制控制車模直立的直觀經(jīng)驗(yàn)來(lái)自于雜技表演。比如速度控制時(shí)，假設(shè)車模已經(jīng)在直立控制下保持了直立穩(wěn)定，通過(guò)改變電機(jī)的電壓控制車模加速和減速。因此在速度、方向控制的時(shí)候，應(yīng)該盡量平滑，以減少對(duì)于直立控制的干擾。在上述三個(gè)任務(wù)中保持車模直立是關(guān)鍵。圖 車模運(yùn)動(dòng)控制分解示意圖直流電機(jī)的力矩最終來(lái)自于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生的電流。以上三個(gè)任務(wù)都是通過(guò)控制車模兩個(gè)后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成的。因此從控制角度來(lái)看，由控制車模兩個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向及速度實(shí)現(xiàn)對(duì)車模的控制。為了能夠方便找到解決問(wèn)題的辦法，首先將復(fù)雜的問(wèn)題分解成簡(jiǎn)單的問(wèn)題進(jìn)行討論。 本科生單片機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院本科生單片機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課 題:光電平衡小車專業(yè)班級(jí):電自六班目錄第一章 車模整體設(shè)計(jì)方案 3 3……………………………………………………………………………..5……………………………………………………………………………..9……………………………………………………………………………10……………………………………………………………………………10第二章程序控制說(shuō)明 11 11 12 1速度雙閉環(huán)控制 14第二章 車模機(jī)械設(shè)計(jì) 15 15 15 16第三章 車模硬件電路設(shè)計(jì) 18第四章 卡爾曼濾波 18 18 18 20 21 23第五章車模參數(shù)調(diào)試圖解 29附錄源代碼 30附錄硬件電路圖 30個(gè)人總結(jié) 30第一章 車模整體設(shè)計(jì)方案智能車是在車模結(jié)構(gòu)的框架上，搭上硬件結(jié)構(gòu)，通過(guò)MC9S12XS128單片機(jī)的處理能力，將傳感器采集到的信息處理分析后得出運(yùn)算結(jié)果，指揮電機(jī)做出適應(yīng)賽道及戰(zhàn)術(shù)策略的響應(yīng)的一套系統(tǒng)。其硬件結(jié)構(gòu)框架如下圖：電源模塊S12XS128控制核心單片機(jī)加速度計(jì)模塊控制器模塊CCD路徑檢測(cè)測(cè)速模塊陀螺儀模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 直立行走任務(wù)分解電磁組比賽要求車模在直立的狀態(tài)下以兩個(gè)輪子著地沿著賽道進(jìn)行比賽，相比四輪著地狀態(tài)，車?？刂迫蝿?wù)更為復(fù)雜。為了分析方便，根據(jù)比賽規(guī)則，假設(shè)維持車模直立、運(yùn)行的動(dòng)力都來(lái)自于車模的兩個(gè)后車輪，后輪轉(zhuǎn)動(dòng)由兩個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。車模運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)可以分解成以下三個(gè)基本任務(wù)：（1） 控制車模直立：通過(guò)控制兩個(gè)電機(jī)正反向運(yùn)動(dòng)保持車模直立狀態(tài)；（2） 控制車模速度：通過(guò)控制兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速速度實(shí)現(xiàn)車模行進(jìn)控制；（3） 控制車模轉(zhuǎn)向：通過(guò)控制兩個(gè)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)差速實(shí)現(xiàn)車模轉(zhuǎn)向控制。可以假設(shè)車模的電機(jī)可以虛擬地被拆解成三個(gè)不同功能的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，它們同軸相連，分別控制車模的直立平衡、前進(jìn)行走、左右轉(zhuǎn)向。因此只要電機(jī)處于線性狀態(tài)，上述拆解可以等效成三種不同控制目標(biāo)的電壓疊加之后，施加在電機(jī)上。由于車模同時(shí)受到三種控制的影響，從車模直立控制的角度，其它兩個(gè)控制就成為它的干擾。圖 三層控制之間相互配合，底層盡量減少對(duì)于上層的干擾上述三個(gè)控制各自獨(dú)立進(jìn)行控制，它們各自假設(shè)其它兩個(gè)控制都已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定。車模在加速和減速的時(shí)候，直立控制一直在起作用，它會(huì)自動(dòng)改變車模的傾角，移動(dòng)車模的重心，使得車模實(shí)現(xiàn)加速和減速。一般的人通過(guò)簡(jiǎn)單練習(xí)就可以讓一個(gè)直木棒在手指尖上保持直立。通過(guò)手掌移動(dòng)抵消木棒的傾斜角度和趨勢(shì)，從而保持木棒的直立。世界上還沒有任何一個(gè)天才雜技演員可以蒙著眼睛使得木棒在自己手指上直立，因?yàn)闆]有了負(fù)反饋。但相對(duì)于上面的木棒直立相對(duì)簡(jiǎn)單?？刂戚喿愚D(zhuǎn)動(dòng)，抵消傾斜的趨勢(shì)便可以保持車體直立了。為了使得同學(xué)們能夠比較清楚理解其中的物理過(guò)程。重力場(chǎng)中使用細(xì)線懸掛著重物經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化便形成理想化的單擺模型。圖 車?？梢院?jiǎn)化成倒立的單擺。這個(gè)力稱之為回復(fù)力，其大小為在此回復(fù)力作用下，單擺便進(jìn)行周期運(yùn)動(dòng)?？諝獾淖枘崃εc單擺運(yùn)行速度成正比，方向相反。單擺的運(yùn)動(dòng)曲線。如果沒有阻尼力，單擺會(huì)在垂直位置左右擺動(dòng)。阻尼力過(guò)?。ㄇ纷枘幔?huì)使得單擺產(chǎn)生震蕩，阻尼力過(guò)大（過(guò)阻尼）會(huì)使得單擺到達(dá)平衡位置時(shí)間拉長(zhǎng)。為什么倒立擺在垂直位置時(shí)，在受到外部擾動(dòng)的情況下，無(wú)法保持穩(wěn)定呢？分析倒立擺的受力。如何通過(guò)控制使得倒立擺能夠像單擺一樣，穩(wěn)定在垂直位置呢？要達(dá)到這一目的，只有兩個(gè)辦法：一個(gè)是改變重力的方向；另一個(gè)是增加額外的受力，使得恢復(fù)力與位移方向相反才行?？刂频沽[底部車輪，使得它作加速運(yùn)動(dòng)。這樣倒立擺所受到的回復(fù)力為q （21）式中，假設(shè)控制車輪加速度與偏角成正比，比例為。此外，為了使得倒立擺能夠盡快地在垂直位置穩(wěn)定下來(lái)，還需要增加阻尼力，與偏角的速度成正比，方向相反。因此，可得控制車輪加速度的控制算法 （23）式中，為車模傾角； 39。只要保證在、條件下，可以維持車模直立狀態(tài)。因此控制車模穩(wěn)定，需要下列兩個(gè)條件：（1）能夠精確測(cè)量車模傾角的大小和角速度的大?。唬?）可以控制車輪的加速度。電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制有三個(gè)作用：（1） 通過(guò)電機(jī)加速度控制實(shí)現(xiàn)車模直立穩(wěn)定。雖然本屆比賽規(guī)則中沒有要求車模速度恒定，也沒有要求車模在比賽之前和沖過(guò)終點(diǎn)之后保持靜止?fàn)顟B(tài)。在將來(lái)的比賽中，如果規(guī)則增加了靜止要求，或者需要通過(guò)路橋等障礙，速度控制將會(huì)發(fā)揮作用。電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制是通過(guò)改變施加在其上的驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)現(xiàn)的。施加在電機(jī)上一個(gè)階躍電壓，電機(jī)的速度變化曲線為(（24）式中，E為電壓；為單位階躍函數(shù)；為慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)；為電機(jī)轉(zhuǎn)速常數(shù)。圖 電機(jī)在不同電壓下的速度，電機(jī)運(yùn)動(dòng)明顯分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是加速階段；第二個(gè)階段為恒速階段。調(diào)整車模直立時(shí)間常數(shù)很小，此時(shí)電機(jī)基本上運(yùn)行在加速階段。車模運(yùn)行速度調(diào)整時(shí)間相對(duì)很長(zhǎng)，此時(shí)，電機(jī)速度與施加在其上的電壓成正比。 車模方向控制略第二章 程序控制說(shuō)明 主程序框架 中斷服務(wù)程序框架由于摩擦力等因素的存在，電機(jī)與PWM給定信號(hào)存在非線性死去特性。首先我們忽略速度控制，僅僅只考慮角度閉環(huán)系統(tǒng)。那么就可以使用PID控制器。雖然角度和角速度是不同的量，但是角速度就是對(duì)角度求微分。常用的PID控制器及其變形有P控制器、PI控制器、PD控制以及PID控制器。因此最后我們選擇了PD控制器。這是由于未加速速度閉環(huán)的結(jié)果，未對(duì)車輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行必要的控制，則最終由于電機(jī)轉(zhuǎn)速的飽和，而發(fā)生了無(wú)法對(duì)倒立擺進(jìn)行調(diào)整的后果。、速度雙閉環(huán)控制對(duì)于直立車模速度的控制相對(duì)于普通車模的速度控制則比較復(fù)雜。下面先分析一下引起車模速度變化的原因。在重力的作用下，車模就會(huì)朝傾斜的方向加速前進(jìn)。假設(shè)車模開始保持靜止，然后增加給定速度，為此需要車模往前傾斜以便獲得加速度。由于負(fù)反饋，使得車模往前傾角需要更大。原本利用負(fù)反饋進(jìn)行速度控制反而成了“正”反饋。但根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，是可以通過(guò)速度控制進(jìn)行車模傾角控制的。所以使用PID控制器來(lái)完成控制。正如前文所述，直立控制和速度控制存在強(qiáng)耦合，所以這里我們使用的分立控制周期的方法。這樣，可以將速度控制視為對(duì)于直立控制的一種擾動(dòng)。直立、速度閉環(huán)控制框圖第三章 車模機(jī)械設(shè)計(jì)C車模地盤由兩部分組成，電機(jī)部分以及前地盤部分。在經(jīng)過(guò)幾次測(cè)試后我們發(fā)現(xiàn)，如果使用彈性連接，且將MEMS傳感器安裝在前部地盤上，由于彈性將使得角度信號(hào)產(chǎn)生滯后，對(duì)于信號(hào)的處理帶來(lái)很大影響，因此，這部分使用了剛性連接，為了減輕重量，考慮使用2mm碳纖維版作為連接部件。但是由于直立行走，相較于攝像頭組與光電組，電磁車編碼器安裝的額位置受到了較大制約。通過(guò)選型，決定使用歐姆龍E6A2CW3C雙向增量式測(cè)速編碼器。 編碼器安裝，在三組車模中屬于最弱的一只，但是對(duì)于直立車而言，電機(jī)的功率對(duì)于車模直立的效果有著決定性因素。合理降低重心是最為行之有效的一個(gè)方法。為此，我們擬定了三種安裝方式：方式一：原始位置。方案一的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何改動(dòng)，可以直接安裝。方案二：背面縱向安裝。缺點(diǎn)在于重心依然較高。缺點(diǎn)在于轉(zhuǎn)向慣量略大于方案二。第四章 車模硬件電路設(shè)計(jì)詳見原理圖。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，卡爾曼濾波器是