自動(dòng)平衡同軸雙輪電動(dòng)小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、自動(dòng)平衡同軸雙輪電動(dòng)小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)design of automatic balance coaxial double electric car system學(xué)生學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 起止日期： 2 摘 要本課題旨在研制一種自平衡同軸雙輪自平衡小車。該系統(tǒng)是一種兩輪左右平行布置的單人電動(dòng)車，像傳統(tǒng)的倒立擺一樣，本身是一個(gè)自然不穩(wěn)定體，必須施加強(qiáng)有力的控制手段才能使之穩(wěn)定。由于它的行為與火箭飛行以及兩足機(jī)器人行走有很大的相似性，因而對(duì)其進(jìn)行研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。系統(tǒng)以姿態(tài)傳感器（陀螺儀、加速度計(jì)）來(lái)檢測(cè)側(cè)身所處的俯仰狀態(tài)和狀態(tài)變化率，通過(guò)高速中央處理器計(jì)算出

2、適當(dāng)數(shù)據(jù)和指令后，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生前進(jìn)或后退的加速度來(lái)達(dá)到車體前后平衡的效果?？刂萍夹g(shù)是運(yùn)動(dòng)控制的核心，在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用最普遍的是各種以pid為代表的基本控制技術(shù)。按照偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱為pid調(diào)節(jié)器，是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛的一種調(diào)節(jié)器。本文對(duì)系統(tǒng)用到的pid控制技術(shù)做了相應(yīng)的研究，從理論上分析了變積分的pid控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并在系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試中獲得了良好的效果。關(guān)鍵詞 ：自平衡；陀螺儀；加速度計(jì)；pid控制abstractin this thesis, a two-wheeled vehicle with the characteristic of sel

3、f-balancing was developed. for the prototype design, the vehicle is arranged by two paralleled wheels and powered by electric motor, which is an unstable object needed force to keep balance, just as the traditional inverted pendulum. since the action principle is similar to rocket flying and robot w

4、aking, this research is meaningful for the theory and practice.according to the inertial sensor (gyroscope, accelerometer ),the monitoring data of pitching state changing are input into the mcu(micro control unit)calculation for the acceleration commands to drive the motor forward/backward for the b

5、alance keeping. control technique is the core of vehicle movement, which is typical with pid (proportion integration differentiation) technique in practice. pid moderator is a technology-matured moderator for wide application in continuous system, which based on deviation proportion, integration and

6、 differentiation. in this thesis, pid control technique was detailed investigated in theory, especially for the advantages of pid variational integralion, and finally well-performance was achieved in the application.key words: self-balance; gyroscope; accelerometer; pid目 錄摘 要iabstractii第1章 緒 論11.1前言

7、11.2自平衡同軸雙輪小車的研究意義11.3 兩輪自平衡小車的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀11.3.1國(guó)外研究成果21.3.2國(guó)內(nèi)的研究成果31.4 本文的研究?jī)?nèi)容4第2章 系統(tǒng)原理分析52.1控制系統(tǒng)要求分析52.2平衡控制原理分析62.3姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)分析72.3.1陀螺儀數(shù)據(jù)處理72.3.2加速度計(jì)數(shù)據(jù)處理82.3.3傳感器數(shù)據(jù)處理的必要性92.3.4基于卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)融合102.4 pid控制技術(shù)122.4.1 pid控制技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀132.4.2 pid調(diào)節(jié)規(guī)律132.4.3 積分分離的pid算法142.4.4 pid控制器參數(shù)的確定14第3章 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)163.1系統(tǒng)硬件組成及工作原理163

8、.1.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖163.1.2系統(tǒng)的組成163.2直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)173.2.1 直流無(wú)刷電機(jī)選擇理由173.2.2 直流無(wú)刷電機(jī)調(diào)速173.2.3 直流無(wú)刷電機(jī)控制方法183.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)器183.3.1電源部分193.3.2功率元件部分193.3.3功率管驅(qū)動(dòng)芯片203.3.4硬件設(shè)計(jì)中的抗干擾措施213.4陀螺儀223.4.1陀螺儀簡(jiǎn)介223.4.2 陀螺儀的應(yīng)用電路233.5加速度計(jì)243.5.1加速度計(jì)簡(jiǎn)介243.5.2加速度計(jì)應(yīng)用電路253.6控制器263.6.1微控制器選型263.6.2 avr 、atmega16l單片機(jī)簡(jiǎn)介283.6.3復(fù)位電路293.6.4 a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換

9、電路29第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)際測(cè)試314.1系統(tǒng)軟件功能模塊劃分314.2軟件功能模塊設(shè)計(jì)314.2.1初始化和主循環(huán)模塊314.2.2 a d采樣及采樣數(shù)據(jù)濾波處理模塊324.2.2陀螺儀與加速度計(jì)輸出值轉(zhuǎn)換334.2.3卡爾曼濾波器的軟件實(shí)現(xiàn)344.2.4平衡pid控制軟件實(shí)現(xiàn)374.2.5兩輪自平衡車的運(yùn)動(dòng)控制38結(jié)論41致謝42參考文獻(xiàn)43第1章 緒 論1.1前言 移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)的一個(gè)重要分支，對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的研究，包括輪式、腿式、履帶式以及水下式機(jī)器人等，可以追溯到20世紀(jì)60年代。移動(dòng)機(jī)器人得到快速發(fā)展有兩方面原因：一是其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛；二是相關(guān)領(lǐng)域如計(jì)算、傳感、控制

10、及執(zhí)行等技術(shù)的快速發(fā)展。移動(dòng)機(jī)器人尚有不少技術(shù)問(wèn)題有待解決，因此近幾年對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究相當(dāng)活躍。 近年來(lái)，隨著移動(dòng)機(jī)器人研究不斷深入、應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，所面臨的環(huán)境和任務(wù)也越來(lái)越復(fù)雜。機(jī)器人經(jīng)常會(huì)遇到一些比較狹窄，而且有很多大轉(zhuǎn)角的工作場(chǎng)合，如何在這樣比較復(fù)雜的環(huán)境中靈活快捷的執(zhí)行任務(wù)，成為人們頗為關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題。雙輪自平衡機(jī)器人概念就是在這樣的背景下提出來(lái)的。兩輪自平衡小車是一個(gè)高度不穩(wěn)定兩輪機(jī)器人，是一種多變量、非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，是檢驗(yàn)各種控制方法的典型裝置。同時(shí)由于它具有體積小、運(yùn)動(dòng)靈活、零轉(zhuǎn)彎半徑等特點(diǎn)，將會(huì)在軍用和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。因?yàn)樗扔欣碚撗芯恳饬x又有實(shí)用價(jià)值，

11、所以兩輪自平衡小車的研究在最近十年引起了大量機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的廣泛關(guān)注。 1.2自平衡同軸雙輪小車的研究意義目前現(xiàn)有的機(jī)器人或短距離運(yùn)輸工具都以四輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為動(dòng)力系統(tǒng)，其劣勢(shì)在于系統(tǒng)的占地面積較大、轉(zhuǎn)彎半徑較大、行動(dòng)不夠靈活。而我設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以兩輪直立移動(dòng)，這樣就大大減小了占地面積，轉(zhuǎn)彎半徑非常小，移動(dòng)軌跡非常靈活，在場(chǎng)地面積較小或要求靈活運(yùn)輸?shù)膱?chǎng)合十分適用。另外與四輪車相比其驅(qū)動(dòng)功率大大減小，為電池長(zhǎng)時(shí)間供電提供了可能，這也為環(huán)保輕型車提供了一種新的思路。另外，無(wú)線高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)為把該系統(tǒng)應(yīng)用于無(wú)人駕駛進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)提供了有利條件。當(dāng)需要在人員難以接近的場(chǎng)所進(jìn)行無(wú)人勘測(cè)與數(shù)據(jù)采集

12、時(shí)，該車體可以靈活的出入各種環(huán)境采集重要的數(shù)據(jù)發(fā)送回來(lái)供科技人員研究。1.3 兩輪自平衡小車的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀 “雙輪自平衡”是國(guó)外目前相當(dāng)流行的控制問(wèn)題，然而在國(guó)內(nèi)幾乎沒(méi)有關(guān)于這方面的具有系統(tǒng)性的經(jīng)驗(yàn)、資料。這不得不說(shuō)是一大困難。本課題通過(guò)對(duì)雙輪機(jī)器人的多種平衡方式的探究，對(duì)雙輪自平衡作了深入系統(tǒng)的研究，具有很強(qiáng)的原創(chuàng)性，也在一定程度上，為國(guó)內(nèi)這方面研究提供了具有一定參考價(jià)值的資料。同時(shí)，本課題更注重科學(xué)的應(yīng)用性，構(gòu)建了一套基于雙輪自平衡的地形控制系統(tǒng)。但是，由于本課題涉及面較大，很多課題中的研究項(xiàng)目還停留在較低層次，要更好地對(duì)各個(gè)構(gòu)想作具體分析，不少未經(jīng)驗(yàn)證的設(shè)想需借助進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)，可

13、以是今后進(jìn)一步研究的方向。1.3.1國(guó)外研究成果兩輪自平衡小車的研究上，國(guó)外的專家和愛(ài)好者們?nèi)〉昧艘幌盗械某晒?，以下介紹國(guó)外幾個(gè)比較先進(jìn)的兩輪自平衡小車：由美國(guó)科學(xué)家david p. anderson研發(fā)的兩輪自平衡機(jī)器人nbot基于倒立擺的小型自平衡兩輪車模型，是由hcllrobotcontr0ller進(jìn)行控制的。其外觀圖如圖1.1所示。圖1.1nbot由瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院工業(yè)電子實(shí)驗(yàn)室的研究人員研制的名為joe是由dsp芯片進(jìn)行控制的。它由車架上方所附的重物模擬實(shí)際車中的駕駛者。其外觀圖如圖1.2所示。圖1.2 joe機(jī)器人 研究人員通過(guò)陀螺儀和光電編碼器測(cè)量的數(shù)據(jù)，用線性狀態(tài)反饋控制器來(lái)控

14、制整個(gè)系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定。由美國(guó)發(fā)明家 dean kamen開(kāi)發(fā)的segway ht兩輪個(gè)人交通工具是一個(gè)更為實(shí)用、成熟以及商業(yè)化的兩輪運(yùn)載車的版本。它可以承載站立在平臺(tái)上的駕駛者，并在保持平衡的狀態(tài)下在多種路面上進(jìn)行便捷的運(yùn)動(dòng)，其外觀如圖1.3所示。它使用了五個(gè)陀螺儀和一個(gè)收集其他角度傳感器數(shù)據(jù)的集成器來(lái)保持自身的直立狀態(tài)。2004年，homebrew機(jī)器人俱樂(lè)部的ted larson和 bob allen制作了如圖1.4所示的兩輪自平衡機(jī)器人bender，并在機(jī)器人上安裝了一個(gè)攝像頭使它也成為一款自主移動(dòng)機(jī)器人。它由三層板構(gòu)成，支架做得很高，使重心豎直靠上。但其平衡表現(xiàn)很出色，獲得了第一屆年度

15、robolymipics best of show類金牌。圖 1.3 segway ht 圖1.4 bender1.3.2國(guó)內(nèi)的研究成果我國(guó)在兩輪自平衡機(jī)器人方面的研究也取得了一定的成就: 西安電子科技大學(xué)研究出了自平衡兩輪機(jī)器人，它是一種兩輪式左右并行布置結(jié)構(gòu)的自平衡系統(tǒng)。它利用伺服放大器ads作為控制器，選擇兩個(gè)maxson電機(jī)作為執(zhí)行元件，采用自適應(yīng)神經(jīng)模糊控制器對(duì)小車這一非線性對(duì)象進(jìn)行大范圍控制，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自平衡。其實(shí)物模型如圖1.5所示。 圖1.5自平衡機(jī)器人 圖1.6hibot 圖1.7固高自平衡小車哈爾濱工業(yè)大學(xué)也有類似的雙輪直立自平衡機(jī)器人，如圖1.6所示。該系統(tǒng)采用dsp

16、作為控制核心。車體傾斜角度檢測(cè)采用加速度傳感器和陀螺儀。利用pwm技術(shù)動(dòng)態(tài)控制兩臺(tái)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速?；谶@些完備而可靠的硬件設(shè)計(jì)，使用了一套獨(dú)特的軟件算法，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的平衡控制。深圳固高科技有限公司研制的教學(xué)用自平衡小車如圖1.7所示，采用85w減速比為10:1的直流伺服電機(jī)，24v鎳氫電池供電，在實(shí)現(xiàn)其平衡的基礎(chǔ)上，其最大速度為1.6m/s，最大爬坡角度為20度。以上是國(guó)內(nèi)外兩輪自平衡電動(dòng)小車和自平衡代步車的研究現(xiàn)狀。這些機(jī)器人和代步車對(duì)本課題的研究提供了很好的指導(dǎo)作用，為下面的研究工作提供了很好的參考。1.4 本文的研究?jī)?nèi)容 本文的主要研究?jī)?nèi)容包括：傳感器數(shù)據(jù)融合：采用一種簡(jiǎn)易互補(bǔ)濾波算法

17、，加速計(jì)和陀螺儀檢測(cè)到的車體姿態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到可靠的傾角及變化率信息；（1）電機(jī)控制算法研究：對(duì)pid控制方法進(jìn)行詳細(xì)的研究和介紹，把變積分pid控制方法應(yīng)用在自平衡車系統(tǒng)中，并檢驗(yàn)控制方法的有效性。（2）慣性傳感器的應(yīng)用：對(duì)系統(tǒng)中用到的慣性元件（陀螺儀和加速度計(jì)）及其使用方法進(jìn)行詳細(xì)的介紹和研究；（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)制作出適合單軸雙輪自平衡小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)制作系統(tǒng)控制器用以控制傳感器檢測(cè)車體姿態(tài)，通過(guò)狀態(tài)反饋控制，pid控制等算法，驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)使代步車實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)自平衡；（4）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究：編制適合自平衡系統(tǒng)的控制軟件，通過(guò)單軸雙輪平衡代步車樣機(jī)實(shí)際測(cè)試

18、，檢驗(yàn)相應(yīng)算法的有效性，不斷改進(jìn)算法。第2章 系統(tǒng)原理分析 2.1控制系統(tǒng)要求分析對(duì)于自平衡同軸雙輪小車的前進(jìn)后退以及停留問(wèn)題，可以通過(guò)以確定的相同轉(zhuǎn)速和相同的轉(zhuǎn)動(dòng)方向同時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 對(duì)于自平衡電動(dòng)車的轉(zhuǎn)向以及原地旋轉(zhuǎn)問(wèn)題，可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車兩輪以不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體過(guò)程如下：當(dāng)電動(dòng)車的兩個(gè)車輪具有轉(zhuǎn)速差時(shí)，左右兩輪在相同時(shí)間內(nèi)所行走的距離不相等，從而使電動(dòng)車偏轉(zhuǎn)一定的角度，而且隨轉(zhuǎn)速差的不同可以使電動(dòng)車獲得不同的轉(zhuǎn)彎半徑，實(shí)現(xiàn)任意轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)向：當(dāng)電動(dòng)車兩輪的轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)向相反時(shí)，便能夠?qū)崿F(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)彎半徑為0。要使兩個(gè)車輪具有不同的轉(zhuǎn)速，可以用以下兩種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：(1)使用一個(gè)

19、電機(jī)，配合合理的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，使兩輪之間的轉(zhuǎn)速具有確定的比例關(guān)系，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向；(2)使用兩個(gè)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)獨(dú)自驅(qū)動(dòng)一個(gè)車輪，通過(guò)合適的控制方法分別控制每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就能實(shí)現(xiàn)兩輪之間的轉(zhuǎn)速不相等。顯然，第一種方案的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)，還使電動(dòng)車增加不少機(jī)械或電子裝置，加重了電動(dòng)車的整體重量和控制難度；而第二種方案雖然增加了一個(gè)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，提高了成本，也有可能加大了電動(dòng)車的整體重量和體積，但可以使機(jī)械設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，而且在控制方面也很容易達(dá)到兩輪差動(dòng)的要求（只需要輸入不同的控制電壓或占空比不同的pwm信號(hào)便可以使兩個(gè)電機(jī)獲得不同的轉(zhuǎn)速）。此外，對(duì)于第二種方案，由于使

20、用了兩個(gè)電機(jī)，故當(dāng)其中有一個(gè)電機(jī)出現(xiàn)故障不能運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，只要電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩足夠大，另一個(gè)電機(jī)也能夠提供所需的轉(zhuǎn)矩使電動(dòng)車依然平衡而不至于傾倒，并能夠繼續(xù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車運(yùn)行一段距離后安全停車，只是使電動(dòng)車失去了轉(zhuǎn)向功能以及降低了其承載能力而已，這樣更有利于保護(hù)駕駛者的安全。綜上所述，所設(shè)計(jì)的自平衡電動(dòng)車采用第二種方案，即兩個(gè)電機(jī)各自驅(qū)動(dòng)車輪的方式。分析系統(tǒng)要求可知，從控制角度來(lái)看，可以將小車作為一個(gè)控制對(duì)象，控制輸入量是兩個(gè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。整個(gè)控制系統(tǒng)可以分為三個(gè)子系統(tǒng)：(1)小車平衡控制：以小車傾角為輸入量，通過(guò)控制兩個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)保持小車衡。(2)小車速度控制：在保持平衡的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)節(jié)小車傾角實(shí)

21、現(xiàn)對(duì)速度的控制，實(shí)際上還是演變?yōu)閷?duì)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)小車的速度控制。(3)小車方向控制：通過(guò)控制兩個(gè)電機(jī)間的轉(zhuǎn)速不同實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。小車直立和方向控制任務(wù)都是直接通過(guò)控制車模兩個(gè)后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成的，而速度控制則是通過(guò)調(diào)節(jié)小車傾角完成的。小車不同的傾角會(huì)引起車模的加減速，從而達(dá)到對(duì)小車速度的控制。2.2平衡控制原理分析自平衡車的控制是通過(guò)負(fù)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于小車只依靠?jī)蓚€(gè)車輪著地，車輪與地面會(huì)發(fā)生相對(duì)滾動(dòng)使得小車傾斜。在自平衡小車未做控制時(shí)，不論其車身向前或向后傾斜，兩輪都處于靜止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)其車身前后擺動(dòng)與其車輪轉(zhuǎn)動(dòng)是相互獨(dú)立的；當(dāng)其開(kāi)始控制時(shí)，其車身的狀態(tài)變化使小車有靜止、前進(jìn)(前傾)、后退(后仰)三種

22、運(yùn)動(dòng)的方式，在正確的控制策略下，小車能夠保持自身的平衡。這三種運(yùn)動(dòng)方式與控制策略如圖2.2所示控制策略下，小車能夠保持自身的平衡。這三種運(yùn)動(dòng)方式與控制策略如圖2.2所示 （1）前傾 （2）靜止 （3）后仰圖2.2小車三種運(yùn)動(dòng)方式 （1） 前傾狀態(tài)：即車身重心靠前，車身會(huì)向前傾斜，則驅(qū)動(dòng)車輪向前滾動(dòng)，以保持小車平衡。（2） 靜止?fàn)顟B(tài)：即車身重心位于電機(jī)軸心線的正上方，則小車將保持動(dòng)態(tài)平衡靜止?fàn)顟B(tài)，不需要做任何控制。（3） 后仰狀態(tài)：即車身重心靠后，車身會(huì)向后傾斜，則驅(qū)動(dòng)車輪向后滾動(dòng)，以保持小車平衡。（4） 因此，兩輪自平衡小車平衡控制的基本思想是：當(dāng)測(cè)量?jī)A斜角度的傳感器檢測(cè)到車體產(chǎn)生傾斜時(shí)，控制

23、系統(tǒng)會(huì)根據(jù)測(cè)得的傾角產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的力矩，通過(guò)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)車輪朝車身要倒下的方向運(yùn)動(dòng)，以保持小車自身的動(dòng)態(tài)平衡。2.3姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)分析兩輪自平衡車不同于普通傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的小車，是一種本質(zhì)不穩(wěn)定非線性系統(tǒng)。需要不斷調(diào)整自身角度，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。因此需要實(shí)時(shí)檢測(cè)自身傾角，再進(jìn)行合理調(diào)整，就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，因而姿態(tài)檢測(cè)成為控制小車直立平衡的關(guān)鍵。為了進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，自平衡兩輪小車系統(tǒng)的微控制器必須對(duì)工作環(huán)境和任務(wù)有足夠的了解，這樣就需要相應(yīng)的傳感器。對(duì)于小車姿態(tài)檢測(cè)而言，通常采用慣性傳感器。一般常用的慣性傳感器有加速度計(jì)、陀螺儀以及傾斜傳感器。表2-1列出了這三種傳感器的性能比較傳感器傾角計(jì)加速度計(jì)陀

24、螺儀被測(cè)量角度加速度角速度優(yōu)點(diǎn)靜態(tài)性能好靜態(tài)性能好動(dòng)態(tài)性能好缺點(diǎn)動(dòng)態(tài)相應(yīng)慢，不適合跟蹤動(dòng)態(tài)角速度運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)相應(yīng)慢，不適合跟蹤動(dòng)態(tài)角速度運(yùn)動(dòng)存在積累漂移誤差，不適合長(zhǎng)時(shí)間單獨(dú)工作表2-1三種傳感器性能比較綜合考慮各傳感器優(yōu)缺點(diǎn)、兩輪自平衡小車實(shí)際的控制和經(jīng)濟(jì)性要求，選用的是加速度計(jì)和陀螺儀兩種傳感器，用于檢測(cè)小車車身傾斜角度和傾斜角速度。另外，設(shè)計(jì)中還要用到直流無(wú)刷電機(jī)中自帶的霍爾元件和外加的光電編碼器反饋回的電機(jī)位置和車輪實(shí)時(shí)速度的信息。這些信號(hào)共同來(lái)反映兩輪自平衡小車的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為微控制器的決策提供依據(jù)。本章主要討論慣性傳感器的數(shù)據(jù)處理，以得到最能反映車體姿態(tài)的信息。2.3.1陀螺儀數(shù)據(jù)

25、處理兩輪自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)除了需要實(shí)時(shí)的傾角信號(hào)，還要用到角速度以給出控制量。理論上可以對(duì)加速度計(jì)測(cè)得的傾角求導(dǎo)得到角速度，但實(shí)際上這樣求得的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于陀螺儀測(cè)值的精度，陀螺儀具有動(dòng)態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)。陀螺儀的直接輸出值是相對(duì)靈敏的角速度，角速度對(duì)時(shí)間積分即可得到圍繞靈敏周旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度值。由于系統(tǒng)采用微控制器循環(huán)采樣程序獲取陀螺儀角速率信息，即每隔一段很短的時(shí)間采樣一次，所以采用累加的方法實(shí)現(xiàn)積分的功能來(lái)計(jì)算角度值： （2-1）式中為陀螺儀采樣到第n次的角度值；為陀螺儀第n-1次采樣時(shí)的角度值；為陀螺儀的第n次采樣得到的瞬時(shí)角速率值；dt為主循環(huán)程序運(yùn)行一遍所用時(shí)間?？梢?jiàn)，用陀螺儀輸出值積分計(jì)

26、算角度，要求處理器運(yùn)算速度足夠快，采樣程序應(yīng)盡量簡(jiǎn)練，程序循環(huán)一遍所用時(shí)間dt越小，采樣頻率越高，最后積分得到的角度值才能越精確。陀螺儀是用來(lái)測(cè)量角速度信號(hào)，通過(guò)對(duì)角速度積分，能得到角度值。但由于溫度變化、摩擦力和不穩(wěn)定力矩等因素，陀螺儀會(huì)產(chǎn)生飄移誤差。而無(wú)論多么小的常值漂移通過(guò)積分都會(huì)得到無(wú)限的角度誤差。因而，也不能單獨(dú)使用陀螺儀作為本機(jī)器人傾角傳感器。陀螺儀的優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)噪聲較小，短時(shí)間內(nèi)誤差小。缺點(diǎn)：陀螺儀以及放大電路有溫漂。積分會(huì)產(chǎn)生累積誤差，這種誤差會(huì)隨著時(shí)間推移越來(lái)越嚴(yán)重，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失效2.3.2加速度計(jì)數(shù)據(jù)處理為實(shí)現(xiàn)自平衡和運(yùn)動(dòng)控制，首先必須得到足夠精確的機(jī)器人車身傾角信息。根據(jù)兩輪

27、自平衡機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境，一般選擇加速度計(jì)和陀螺儀兩種傳感器來(lái)采集自平衡車的姿態(tài)信息。加速度計(jì)可以測(cè)量動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的線性加速度，靜態(tài)加速度的一個(gè)經(jīng)典例子就是重力加速度，用加速度計(jì)來(lái)直接測(cè)量物體靜態(tài)重力加速度可以確定傾斜角度。當(dāng)加速度傳感器靜止時(shí)，加速度傳感器僅僅輸出作用在靈敏軸上的重力加速度值，即重力加速度的分量值。加速度傳感器輸出值和重力之間的關(guān)系如圖2-4所示圖2-3 雙軸加速度計(jì)的靈敏軸與重力場(chǎng)加速度計(jì)輸出與重力的關(guān)系可表示為 （2-2） （2-3）式中ax和ay為加速度計(jì)x靈敏軸和y靈敏軸的輸出；g為重力加速度；為傾斜角度，可見(jiàn)通過(guò)反三角函數(shù)很容易求得。式子也可以由正切來(lái)表示： （2-4）

28、通過(guò)上式即可得到傾斜角度值。在自平衡小車系統(tǒng)中，由于車體傾斜角度小于30度，所以可以采用正切三角函數(shù)近似得到下式： （2-5）由于三角函數(shù)的計(jì)算會(huì)占用微控制器大量的時(shí)間，所以可用上式近似計(jì)算，可大大提高微控制器的采樣速率。加速度計(jì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，不適合跟蹤動(dòng)態(tài)角度運(yùn)動(dòng)；如果期望快速的響應(yīng)，又會(huì)引入較大的噪聲。再加上其測(cè)量范圍的限制，使得單獨(dú)應(yīng)用加速度計(jì)檢測(cè)車體傾角并不適合，需要與其它傳感器共同使用。2.3.3傳感器數(shù)據(jù)處理的必要性對(duì)于姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)而言，單獨(dú)使用陀螺儀或者加速度計(jì)，都不能提供有效而可靠的信息來(lái)保證車體的平衡。陀螺儀雖然動(dòng)態(tài)性能良好，能夠提供瞬間的動(dòng)態(tài)角度變化，不受加速度變化的影響，但

29、是由于其本身固有的特性、溫度及積分過(guò)程的影響，存在累積漂移誤差，不適合長(zhǎng)時(shí)間單獨(dú)工作；加速度計(jì)靜態(tài)響應(yīng)好，能夠準(zhǔn)確提供靜態(tài)的角度，但受動(dòng)態(tài)加速度影響較大，不適合跟蹤動(dòng)態(tài)角度運(yùn)動(dòng)。為了克服這些困難，采用一種簡(jiǎn)易互補(bǔ)濾波方法來(lái)融合陀螺儀和加速度計(jì)的輸出信號(hào)，補(bǔ)償陀螺儀的漂移誤差和加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)誤差， 從而得到可信的位置、姿態(tài)和方向信息，為對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)控制提供保障。從上述分析可知：通過(guò)前面的分析可知加速度計(jì)和陀螺儀各有優(yōu)點(diǎn)，為了互補(bǔ)各自的缺點(diǎn)，需要聯(lián)合使用對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，以得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。所謂傳感器數(shù)據(jù)融合就是將各個(gè)傳感器所采集的信息進(jìn)行處理、優(yōu)化和重組，從而形成一種為控制系統(tǒng)提供更能準(zhǔn)確反映

30、系統(tǒng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)信息融合的方法是多傳感器數(shù)據(jù)信息融合最重要的部分，由于其應(yīng)用上的復(fù)雜性和多樣性，決定了信息融合的內(nèi)容極其豐富。其算法可分為四類，即估計(jì)方法、分類方法、推理方法和人工智能方法。利用加速度計(jì)的輸出來(lái)消除陀螺儀的漂移，使最終得到傾角估計(jì)更為精確。這就是傳感器數(shù)據(jù)融合中典型的狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題。狀態(tài)估計(jì)的目的是對(duì)目標(biāo)過(guò)去的狀態(tài)進(jìn)行平滑、對(duì)現(xiàn)在的狀態(tài)進(jìn)行濾波和對(duì)未來(lái)的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)。2.3.4基于卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)融合加速度計(jì)長(zhǎng)時(shí)間較準(zhǔn)確，短時(shí)間誤差大。陀螺儀短時(shí)間準(zhǔn)確，長(zhǎng)時(shí)間不準(zhǔn)確。通過(guò)對(duì)兩個(gè)傳感器的有效融合和估計(jì)，可以獲得合適的角度信息。用加速度傳感器長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的特性，彌補(bǔ)陀螺儀的零點(diǎn)漂移

31、及a/d采樣值單調(diào)性誤差積累增長(zhǎng)。雖然單一慣性傳感器就可以單獨(dú)進(jìn)行姿態(tài)角度檢測(cè)，但是其準(zhǔn)確性主要取決于慣性器件的精度，單從改善硬件結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝方面難以有很大幅度的提高，并且系統(tǒng)誤差會(huì)隨時(shí)間累積，不適用于長(zhǎng)時(shí)間姿態(tài)檢測(cè)。由于利用單一傳感器（陀螺儀或加速度計(jì)）難以獲得相對(duì)真實(shí)的小車姿態(tài)角度，出于對(duì)系統(tǒng)測(cè)量姿態(tài)角度準(zhǔn)確性的考慮，本系統(tǒng)采用多傳感器信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，以獲得最佳姿態(tài)角度。多傳感器數(shù)據(jù)融合是一個(gè)非常重要的研究?jī)?nèi)容，只有采用最適合的融合方法才能獲得最佳的效果。常用數(shù)據(jù)融合方法有加權(quán)平均法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。加權(quán)平均法是一種簡(jiǎn)單的融合方法，故其運(yùn)算精度很差；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法具有很好的非線性和有效的自學(xué)

32、能力，但是其涉及的模型構(gòu)建，參數(shù)優(yōu)化非常復(fù)雜，不適用于本系統(tǒng)。國(guó)外有研究者根據(jù)加速度計(jì)與陀螺儀的互補(bǔ)特點(diǎn)研究出互補(bǔ)濾波算法，其簡(jiǎn)單明了并且具有較好的實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性，能夠較好的融合出姿態(tài)角度。考慮到本系統(tǒng)使用的慣性器件特性較差，互補(bǔ)濾波在本質(zhì)原理上不能彌補(bǔ)器件特性缺陷，故本系統(tǒng)采用卡爾曼濾波算法作為數(shù)據(jù)融合方法。1960年卡爾曼發(fā)表了著名的用遞歸方法解決離散數(shù)據(jù)線性濾波問(wèn)題的論文。隨著數(shù)字計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，卡爾曼濾波器得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用和推廣，尤其是在自主或協(xié)助導(dǎo)航領(lǐng)域?？柭鼮V波器與大多數(shù)濾波器不同之處，在于其是一種純粹的時(shí)域?yàn)V波器，不需要像低通濾波器等頻域?yàn)V波器那樣，需要在頻域設(shè)計(jì)再轉(zhuǎn)換到

33、時(shí)域?qū)崿F(xiàn)。對(duì)于解決大部分的問(wèn)題，是最優(yōu)，效率最高甚至是最有用的?？柭鼮V波器的廣泛應(yīng)用已經(jīng)超過(guò)30年，包括機(jī)器人導(dǎo)航，控制，傳感器數(shù)據(jù)融合甚至在軍事方面的雷達(dá)系統(tǒng)以及導(dǎo)彈追蹤等等。近年來(lái)更被應(yīng)用于計(jì)算機(jī)圖像處理，例如頭臉識(shí)別，圖像分割，圖像邊緣檢測(cè)等等。 卡爾曼濾波器是一種高效率的遞歸濾波器(自回歸濾波器)，能夠從一系列的不完全及包含噪聲的測(cè)量中，估計(jì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)?？柭鼮V波器不僅能估計(jì)信號(hào)的過(guò)去和當(dāng)前狀態(tài)，甚至能估計(jì)將來(lái)的狀態(tài)。卡爾曼濾波器解決離散時(shí)間控制過(guò)程的一般方法，首先定義模型線性隨機(jī)微分方程。假設(shè)卡爾曼濾波模型k時(shí)刻真實(shí)狀態(tài)是從（k-1）時(shí)刻推算出來(lái)，如下式 (式2-6)式2-15

34、中，是k時(shí)刻狀態(tài)；a是k-1時(shí)刻狀態(tài)變換模型；b是作用在控制器向量上的輸入控制模型；是過(guò)程噪聲，假設(shè)其均值為零，協(xié)方差矩陣符合多元正態(tài)分布： (式2-7)k時(shí)刻對(duì)應(yīng)真實(shí)狀態(tài)的測(cè)量滿足下式： (式2-8)式2-17中是觀測(cè)模型，將真實(shí)控制映射為觀測(cè)空間；為觀測(cè)噪聲，其均值為零，協(xié)方差矩陣符合正態(tài)分布： (式2-9)初始狀態(tài)以及每一時(shí)刻的噪聲都認(rèn)為是互相獨(dú)立的。卡爾曼濾波器的操作主要包括兩個(gè)階段：預(yù)估與更新。在預(yù)估階段，濾波器根據(jù)上一時(shí)刻狀態(tài)，估算出當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)；在更新階段，濾波器利用當(dāng)前時(shí)刻觀測(cè)值優(yōu)化在預(yù)估階段獲得的測(cè)量值，以獲得一個(gè)更準(zhǔn)確的新估計(jì)值?？柭鼮V波器迭代過(guò)程如下：1. 先驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)

35、： (式2-10)2. 先驗(yàn)估計(jì)誤差協(xié)方差 (式2-11) 3. 卡爾曼增益 (式2-12)4. 后驗(yàn)狀態(tài)估計(jì) (式2-13)5. 后驗(yàn)誤差協(xié)方差 (式2-14)在上面各式中：a：作用在上的n階矩陣；b：作用在控制向量上的n1輸入控制矩陣；h：mn觀測(cè)模型矩陣，將真實(shí)狀態(tài)空間映射為觀測(cè)空間；：nn先驗(yàn)估計(jì)誤差協(xié)方差矩陣；：nn后驗(yàn)估計(jì)誤差協(xié)方差矩陣；q：nn過(guò)程噪聲協(xié)方差矩陣；r：mm過(guò)程噪聲協(xié)方差矩陣；i：n階單位矩陣；：nm矩陣，稱之為卡爾曼增益圖2-2 通過(guò)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)保持小車平衡.。2.4 pid控制技術(shù) 控制技術(shù)是運(yùn)動(dòng)控制的核心，各種先進(jìn)控制技術(shù)的研究不斷推動(dòng)著運(yùn)動(dòng)控制的發(fā)展，比如自適應(yīng)

36、控制技術(shù)和以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制為代表的智能控制技術(shù)，但在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用最普遍的還是各種以pid為代表的基本控制技術(shù)。按照偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱為pid調(diào)節(jié)器，是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛的一種調(diào)節(jié)器。本節(jié)將對(duì)系統(tǒng)用到的pid控制技術(shù)做相應(yīng)的研究，傳感器將車體的角度和運(yùn)動(dòng)速度等信息傳遞給系統(tǒng)控制器，控制器經(jīng)分析處理運(yùn)用pid控制技術(shù)，將目標(biāo)命令傳遞給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)完成系統(tǒng)的閉環(huán)控制。2.4.1 pid控制技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀在電機(jī)伺服系統(tǒng)的控制中，經(jīng)典的pid控制以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)以及現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其的廣泛使用積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)等原因?qū)o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，所以一直占有很重要的地

37、位。pid的引入保證了在學(xué)習(xí)期間系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，穩(wěn)定了閉環(huán)控制器，補(bǔ)償了由逆控制器引起的控制誤差。pid算法得到如此廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗哂腥缦聝?yōu)點(diǎn)：（1）算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；（2）可以在很寬的操作條件內(nèi)保持較好的魯棒性，對(duì)于控制對(duì)象模型參數(shù)小范圍變化不敏感；（3）基于線性控制理論，具備許多成熟的穩(wěn)定性分析方法，有較高的可靠性；（4）不要求了解控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型。（5）允許工程技術(shù)人員已一種簡(jiǎn)單直接的方式來(lái)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，已達(dá)到希望得控制性能，如上升時(shí)間、最大超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差等。 當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確

38、定，這時(shí)應(yīng)用pid控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用pid控制技術(shù)。2.4.2 pid調(diào)節(jié)規(guī)律pid控制分為兩大類，一個(gè)是模擬pid控制，一個(gè)是數(shù)字pm控制。在模擬控制系統(tǒng)中，pid是最常用的控制方法。圖4.7所示為模擬pid控制系統(tǒng)原理框圖。比例系數(shù)kp積分系數(shù)ki微分系數(shù)kd被控對(duì)象圖2-4模擬pid控制系統(tǒng)原理框圖計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字pid控制器。將連續(xù)的模擬量進(jìn)行離散化處理，則可得 （4-20）在數(shù)字pid控制中，采樣周期相對(duì)于系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)來(lái)說(shuō)一般是很短。因此其參數(shù)可按模擬pid控制器中的方法來(lái)選擇。由

39、于要保持動(dòng)態(tài)的平衡，則小車的傾角在一定的范圍內(nèi)要求可控。故本文選擇系統(tǒng)的小車的傾角作為輸出量，利用pid技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分析。由上述理論分析可以看出:其比例、積分、微分三者是彼此影響；同時(shí)要使其系統(tǒng)保持穩(wěn)定，pid三參數(shù)必須滿足上述關(guān)系；為了讓系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)其動(dòng)態(tài)的平衡，需要通過(guò)反復(fù)試湊的方法來(lái)解決，而且整定的參數(shù)多導(dǎo)致反復(fù)試湊的次數(shù)極大的增加，控制器的參數(shù)較難選取。加之系統(tǒng)經(jīng)過(guò)線性化處理，即使所選參數(shù)滿足上述的關(guān)系式，仍需要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際模型進(jìn)行調(diào)整，這大大增加了調(diào)試的難度。鑒于此我們考慮采用其極點(diǎn)配置的方法來(lái)考察分析其系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.4.3 積分分離的pid算法在普通的pid數(shù)字控制器中引入積

40、分環(huán)節(jié)的目的，主要是為了消除靜差、提高精度。但在過(guò)程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定值時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，會(huì)造成pid運(yùn)算的積分積累，致使算的控制量超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量，最終引起系統(tǒng)最大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)的振蕩。引進(jìn)積分分離pid控制算法，即保持了積極作用，又減小了超調(diào)量，使得控制性能有了較大的改善。2.4.4 pid控制器參數(shù)的確定在數(shù)字pid控制中，采樣周期相對(duì)于系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)來(lái)說(shuō)，一般是很短的。此時(shí)，其參數(shù)可按模擬pid控制器中的方法來(lái)選擇。在選擇pid控制器參數(shù)前，應(yīng)首先確定調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以保證被控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，并盡可能消除穩(wěn)態(tài)誤差。對(duì)于電機(jī)控制系統(tǒng)

41、而言，一般常選用pi或者pid控制器結(jié)構(gòu)。pid參數(shù)的選擇有兩種可用的方法：理論設(shè)計(jì)法及實(shí)驗(yàn)確定法。理論設(shè)計(jì)法確定pid控制參數(shù)的前提是要有被控對(duì)象標(biāo)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，這在電機(jī)控制中往往很難做到。因此，實(shí)驗(yàn)確定法來(lái)選擇pid控制參數(shù)便成為經(jīng)常采用且行之有效的方法。湊試法是通過(guò)模擬或閉環(huán)運(yùn)行觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線（如階躍響應(yīng)），然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試，改變參數(shù)，以達(dá)到滿意的響應(yīng)，從而確定pid控制器參數(shù)。在湊試時(shí)，可以參考控制參數(shù)對(duì)控制過(guò)程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)按先比例、后積分、在微分的次序反復(fù)調(diào)試。具體的整定步驟如下：（1）調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)s0=0，實(shí)際積分系數(shù)k=0，控制系

42、統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，由小到大改變比例系數(shù)s1，讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直到獲得反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線，得到滿意的控制過(guò)程為止。（2）如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。取比例系數(shù)s1為當(dāng)前的值乘以0.83，由小到大增加積分系數(shù)s0，同樣讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，根據(jù)響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)和積分系數(shù)，使在保持系統(tǒng)良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，穩(wěn)態(tài)誤差得到消除，由此得到相應(yīng)的整定系數(shù)，求得滿意的控制過(guò)程。（3）積分系數(shù)s0保持不變，改變比例系數(shù)s1，觀察控制過(guò)程有無(wú)改善，如有改善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。第3章 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)3.1系統(tǒng)硬件組成及工作原理3

43、.1.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)自平衡小車的功能特征，一般選擇陀螺儀和加速度計(jì)兩種慣性傳感器來(lái)采集車體的姿態(tài)信息，直流無(wú)刷電機(jī)自帶的霍爾元件采集車體速度信息?？刂茊卧捎梦⒖刂破魍瓿蓴?shù)據(jù)采集與處理、車體姿態(tài)判斷、直流無(wú)刷電機(jī)控制及其他外圍的控制等功能。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。陀螺儀加速度計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換控制器驅(qū)動(dòng)器1驅(qū)動(dòng)器2無(wú)刷電機(jī)1無(wú)刷電機(jī)2蜂鳴器、led圖3-1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖3.1.2系統(tǒng)的組成本設(shè)計(jì)主要以atmega16l單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，它低電壓高性能，更合理地使整個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化，從而達(dá)到了簡(jiǎn)單控制地目的。其基本原理組成如下所示：(1)控制器是avr系列的atmega16l單片機(jī)；(

44、2)陀螺儀是采用adis16100；(3)加速度計(jì)是采用freescale公司推出的一款低成本單芯片三軸加速度傳感器mma7260；(4)對(duì)于模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，選擇了高精度ad芯片tlc2543；(5)驅(qū)動(dòng)控制電路是由功率管驅(qū)動(dòng)芯片ir2130構(gòu)成。3.2直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī) 3.2.1 直流無(wú)刷電機(jī)選擇理由由于本次設(shè)計(jì)的同軸雙輪平衡小車采用蓄電池供電，因此可供選擇的電機(jī)有：步進(jìn)電機(jī)、直流有刷電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)能直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制性能好，能快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但運(yùn)動(dòng)增量和步距角固定，缺乏靈活性，而且單步響應(yīng)時(shí)有過(guò)沖量和震蕩，不利于兩輪自平衡機(jī)器人的穩(wěn)定，承受慣性負(fù)載的

45、能力差，控制線路復(fù)雜，不利于兩輪自平衡機(jī)器人小空間的要求。直流有刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對(duì)可以做到很小，控制特性好，響應(yīng)速度快，滿足兩輪自平衡機(jī)器人的靈敏性要求；具有很寬的調(diào)速范圍，速度快，滿足兩輪自平衡機(jī)器人的快速性要求；低速平穩(wěn)性好，滿足穩(wěn)定性要求；機(jī)械特性硬，過(guò)載能力強(qiáng)，可以滿足兩輪自平衡機(jī)器人的越障和爬坡要求。但是由于有換向器和電刷，導(dǎo)致電機(jī)可靠性變差，壽命減少，這將嚴(yán)重影響兩輪自平衡機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用。直流無(wú)刷電機(jī)不僅完全具有普通直流有刷電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，而且由于沒(méi)有換向器和電刷，可靠性高，壽命長(zhǎng)，能夠很好的滿足兩輪自平衡機(jī)器人的要求。直流無(wú)刷電機(jī)具有線性機(jī)械特性、調(diào)速范圍寬、大氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩、效率較高和

46、控制電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。3.2.2 直流無(wú)刷電機(jī)調(diào)速所謂調(diào)速，是指在某一具體負(fù)載情況下，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)或電源參數(shù)，使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線改變，從而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化或保持不變。調(diào)速具有兩個(gè)方面的含義：一是在一定范圍內(nèi)“變速”；二是“恒速”。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓u。改變電樞供電電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種方法最好。 （2）改變電機(jī)的主磁通。改變電機(jī)磁通可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，但只能減弱磁通，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬速恒功率調(diào)速方法。因?yàn)闊o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)多由

47、永磁鐵產(chǎn)生，所以這種調(diào)速方法不適用于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。（3）改變電樞回路電阻r。在電動(dòng)機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。但只能是有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性軟，空載時(shí)幾乎沒(méi)什么調(diào)速作用，在調(diào)速電阻上消耗大量的電能。綜上所述，同時(shí)考慮到電機(jī)本身的特性，對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)選擇電壓調(diào)速。由于調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專門的可控直流電源，因此本次設(shè)計(jì)中采用脈寬調(diào)制變換器。通過(guò)脈寬調(diào)制變換器進(jìn)行調(diào)制的方法又稱pwm(pulse frequency modulation)。3.2.3 直流無(wú)刷電機(jī)控制方法直流無(wú)刷電機(jī)的控制方式按照有無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器來(lái)劃分，可以分為無(wú)位置傳感器控制方式和有位置傳感

48、器控制方式。無(wú)位置傳感器控制方式是指直流無(wú)刷電機(jī)不直接安裝轉(zhuǎn)子位置傳感器，但在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，控制電機(jī)換相的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)還是需要的，因此，直流無(wú)刷電機(jī)無(wú)位置傳感器控制研究的關(guān)鍵是架構(gòu)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)電路，通過(guò)軟硬件間接獲得可靠的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。目前最常用且成熟的是反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法。對(duì)于有位置傳感器控制方式，實(shí)質(zhì)上可看作是一臺(tái)用電子換相裝置取代機(jī)械換相裝置的直流電機(jī)。它是指在直流無(wú)刷電機(jī)定子上安裝位置傳感器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的位置，將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，為電子換相電路提供正確的換相信息，來(lái)控制電子換相電路中的功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，保證電機(jī)的各相按正確的順序?qū)?，在空間形成跳躍式的旋

49、轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。3.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)器現(xiàn)代電機(jī)的驅(qū)動(dòng)放大技術(shù)與電子技術(shù)的發(fā)展有著密切的關(guān)系。電子技術(shù)、電子器件的成就，極大地推動(dòng)了電機(jī)驅(qū)放大技術(shù)的進(jìn)步。可以說(shuō)，電機(jī)功率的驅(qū)動(dòng)放大是伺服系統(tǒng)的心臟，它用來(lái)轉(zhuǎn)換電功率并驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。一個(gè)合適的伺服放大器至少應(yīng)當(dāng)具有以下特征：（1） 電系統(tǒng)與電機(jī)線圈之間的功率在電壓、電流和頻率上的匹配；（2） 高性能和高穩(wěn)定性；（3） 易于設(shè)置和調(diào)整；（4）不僅放大器自身具有電路保護(hù)，且對(duì)與其相連接的電機(jī)也具有保護(hù)措施；現(xiàn)代直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)放大幾乎都是采用晶體管功率放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。晶體管放大器系統(tǒng)可以分為兩種類型：線性放大器和開(kāi)關(guān)型放大器。線性放大器

50、幾乎毫無(wú)例外地采用晶體管，線性地提供所需的直流電流。而開(kāi)關(guān)型放大器可采用晶體管，也可以采用普通晶閘管。在開(kāi)關(guān)型放大器中，輸出級(jí)的功率器件工作在迅速地從非導(dǎo)通狀態(tài)完全導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)處于非導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，功率器件不消耗能量；而完全導(dǎo)通時(shí)功率器件上的壓降很小，這樣避開(kāi)了工作在線性放大區(qū)域，因此功率輸出級(jí)的損耗就很小，這樣避開(kāi)了工作在線性放大區(qū)域，因此功率輸出級(jí)的損耗就很小。目前，線性放大器一般僅在小功率的場(chǎng)合有所應(yīng)用，而大量采用的是開(kāi)關(guān)型放大器。本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器的制作采用的是場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)功率放大。下面分別具體介紹電機(jī)驅(qū)動(dòng)器各個(gè)功能部分。3.3.1電源部分供給mcu系統(tǒng)和霍爾電路部分的5v電源，有一個(gè)三端穩(wěn)壓器

51、7805穩(wěn)壓輸出5v電壓。電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3-4所示。 圖3-2 5v直流穩(wěn)壓電路3.3.2功率元件部分場(chǎng)效應(yīng)管是70年代中期才發(fā)展起來(lái)的電壓控制型的新型半導(dǎo)體電力電子器件，目前仍處在快速提高半導(dǎo)體技術(shù)和降低成本的階段。其伏安容量達(dá)到1000v/25a或500a/150a。這種開(kāi)關(guān)元件的優(yōu)點(diǎn)是由于它是多數(shù)載流子導(dǎo)電，故不存在少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，有較高的開(kāi)關(guān)速度，可以高達(dá)25mhz；具體較寬的安全工作區(qū)而不會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)，而且它具體有正的電阻溫度系數(shù)，易于并聯(lián)使用；具有高可靠性；過(guò)載能力強(qiáng)，短時(shí)過(guò)載電流一般10v左右，因而有較高的噪聲容限和抗干擾能力；它是電壓控制型器件，具有高輸入阻抗，故驅(qū)動(dòng)功率

52、小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單而有低廉；可以不帶緩沖器工作。它的缺點(diǎn)是額定工作電壓低，內(nèi)阻大，導(dǎo)通壓降隨漏極電流的增加線性增大，只適用于高頻小功率的應(yīng)用場(chǎng)合。目前，場(chǎng)效應(yīng)管以廣泛應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速、不間斷電源、開(kāi)關(guān)電源、電子開(kāi)關(guān)、汽車電器等方面，在高頻、低壓和小功率領(lǐng)域內(nèi)尚無(wú)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)采用通常改變pwm信號(hào)的占空比來(lái)控制輸入到電機(jī)繞組的電壓，因此功率管必須有較高的開(kāi)關(guān)頻率，一般選用頻率高于聽(tīng)覺(jué)頻率20khz的pwm波來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的通斷。從上述得知，晶閘管和電力晶體管都不能滿足要求，而功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管能達(dá)到要求，功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種單極型電壓控制器件，它不但有自關(guān)斷能力，而且具有驅(qū)動(dòng)功率

53、小、工作速度高、無(wú)二次擊穿、安全工作區(qū)寬等優(yōu)點(diǎn)。因此在本系統(tǒng)中選擇意法半導(dǎo)體公司的功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管75nf75作為功率開(kāi)關(guān)器件。75nf75場(chǎng)效應(yīng)管漏極擊穿電壓可達(dá)75v，漏極額定電流id可達(dá)75a，通態(tài)電阻rds小于0.011歐。各項(xiàng)參數(shù)符合本系統(tǒng)功率管的要求。功率管橋式驅(qū)動(dòng)電路如圖3-5所示。 圖3-3 三相橋式驅(qū)動(dòng)電路圖3-5中d5、d6、d7、d9、d10和d11是六只續(xù)流二極管，它們?yōu)殡姍C(jī)繞組的反電勢(shì)提供通路，如果該電勢(shì)加在功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，會(huì)損壞功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，并接的續(xù)流二極管與反電勢(shì)形成續(xù)流電路，保護(hù)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，續(xù)流二極管選用反應(yīng)速度快而且反向耐壓高的超快恢復(fù)二極管。從驅(qū)

54、動(dòng)芯片輸出信號(hào)端到功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的門極之間加了一個(gè)電阻，其作用是限制電流信號(hào)，同時(shí)起阻尼作用。3.3.3功率管驅(qū)動(dòng)芯片ir2130是美國(guó)國(guó)際整流器公司推出的專用三相橋式電路驅(qū)動(dòng)芯片，其主要參數(shù)如下：（1）可直接驅(qū)動(dòng)工作在母線電壓不超過(guò)600v電路中的mos器件；（2）具有電流放大和過(guò)電流保護(hù)功能；（3）自動(dòng)產(chǎn)生成上、下側(cè)驅(qū)動(dòng)所必須的死區(qū)時(shí)間（2us）；（4）具有欠壓鎖定功能并能指示欠壓和過(guò)流狀態(tài)；（5）輸入端具有噪聲抑制功能。ir2130可用于驅(qū)動(dòng)工作在母線電壓不超過(guò)600v電路中的mos器件，最大輸出正向峰值驅(qū)動(dòng)電流為250ma，而反向峰值驅(qū)動(dòng)電流為500ma。它可對(duì)同一橋臂上、下兩個(gè)功率mos器件的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生2ps的互鎖延時(shí)時(shí)間。內(nèi)部設(shè)有一個(gè)線性放大器，可用于電流信號(hào)的放大。ir2130的保護(hù)動(dòng)能十分強(qiáng)大，內(nèi)部設(shè)有過(guò)電流、過(guò)電