大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目中期進(jìn)展報告

1、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目中期進(jìn)展報告（3000字，小四宋體）項目成員：高超、孫健、虎強(qiáng)、陳偉、張波指導(dǎo)教師：錢煒摘 要：這份報告將簡要介紹一下我們的獨輪平衡車的自2014年3月開展到2014年10月期間的進(jìn)展情況和我們做的工作。一、項目成果簡介：1、為了驗證在做實體之前對傳感器的使用和芯片編程等有充足的把 握，我們已經(jīng)完成了一個車體模型的測試工作。2、為了直觀的了解車體的結(jié)構(gòu)和便于讓團(tuán)隊個成員加入自己的創(chuàng)意，我們初步設(shè)計了車體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并用 Solidworks建模。二、項目進(jìn)展：項目目前進(jìn)度：我們最初的項目計劃中的寫的是總共分五步走，現(xiàn)在才剛剛 10月 下旬，我們已經(jīng)完成了前面三步，其中

2、包括 3月-5月完成主控芯片程 序設(shè)計；6月-7月電路設(shè)計；7月-8月搭建車車模對電路，程序進(jìn)行測 試；可以說比我們當(dāng)年預(yù)期的進(jìn)度提前了。已經(jīng)取得成果：成果主要有兩方面：一是車體模型測試，我們主控芯片是采用飛思卡爾的k60系列芯片，JTAG下載器，角度傳感器，直流電機(jī)，2600mah的鋰電池，L7805 穩(wěn)壓芯片，BTN7971B電機(jī)驅(qū)動。測試說明程序和電路的可行性，初步 驗證了理想的方案的可行性。具體設(shè)計方案如下：1、車模的平衡控制原理：當(dāng)車體垂直時，車輪保持靜止，車體向左傾斜時，車輪向左加速 運(yùn)行，車體向右傾斜時，車輪向右加速運(yùn)行。直立的車?？梢钥闯墒欠?置在可以左右移動平臺上的倒立擺的單

3、擺。 普通單擺能夠穩(wěn)定在垂直位 置的條件有兩個：（1受到與位移（角度）相反的恢復(fù)力；（2）受到與 運(yùn)動速度（角速度）相反的阻尼力。如果沒有阻尼力，單擺會在垂直位置左右擺 動。阻尼力會使單擺最終停止在垂直位置。阻尼力過?。ㄇ纷枘幔?單擺在平衡位置附近來回震蕩。 阻尼力過大（過阻尼）會使單擺達(dá)到平 衡位置的時間加長。因而存在一個臨界阻尼系數(shù)，是得單擺穩(wěn)定在平衡 位置的時間最短。倒立擺之所以不能像單擺一樣穩(wěn)定在垂直位置， 就是 因為它在偏離平衡位置的時候，所受到的恢復(fù)力與位移的方向相同，而 不是相反，因此，倒立擺會加速偏離垂直位置，直至倒下。為了通過控 制使得倒立擺能夠像單擺一樣穩(wěn)定在垂直位置，

4、需要增加額外的受力， 使得恢復(fù)力與位移方向相反才行。該力與車輪的加速度的方向相反，大 小成正比。為了是倒立擺盡快在垂直位置穩(wěn)定下來，還需要增加阻尼力， 增加的阻尼力與偏角的速度成正比，方向相反。綜上可以得到車輪控制 速度的算法為：a = k1 E+k2 式中B為車模傾角，B為角速度，k1，k2 均為比例系數(shù)。K1決定了車模是否能夠穩(wěn)定在垂直位置，它必須大于 中立加速度，k2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)可以讓車模盡快穩(wěn)定在垂直位置。車模的加速度是通過控制車輪速度實現(xiàn)的，車輪通過車模因此兩個 可以通過電機(jī)加速度的控制實現(xiàn)車模平衡穩(wěn)定。電機(jī)的運(yùn)動控制是通過 改變施加在其上的

5、驅(qū)動電壓大小實現(xiàn)的。 電機(jī)的運(yùn)動分為兩個階段，第 一個是加速階段，第二個是恒速階段。在加速階段，電機(jī)帶動車模進(jìn)行 加速運(yùn)動，加速度和施加在電機(jī)上的電壓成正比。 在恒速階段，電機(jī)帶 動車模后輪進(jìn)行恒速運(yùn)動，運(yùn)行速度與施加在電機(jī)上的電壓成正比。 調(diào) 整車模角度的控制周期很短，時間一般是幾個毫秒，此時電機(jī)基本運(yùn)動 在家階段，計算得到加速度控制量a在乘上比例系數(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)。加速度傳感器MMA761可以測量由地球引力作用或者物體運(yùn)動產(chǎn) 生的加速度，只需測量其中一個方向上的加速度值， 皆可以計算出車模 的傾角，比如使用z軸方向上的加速度信號。車模直立時，固

6、定在加速 度在z軸水平方向，此時輸出信號為0片區(qū)內(nèi)壓信號。當(dāng)車模發(fā)生傾斜 =時，重力加速度g便會在z軸方向上新城加速度分量，從而引起該軸 輸出電壓的變化。但是在實際車模運(yùn)動中，由于車模本身的擺動所產(chǎn)生 的加速度會產(chǎn)生很大的干擾信號，它疊加在測量信號匯總使得輸出信號 無法準(zhǔn)確反映車模的傾角。加速度傳感器安裝的高度越低越好， 但是無 法徹底消除車模運(yùn)送的影響。角速度傳感器利用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的物體會受到科里奧利力的原理 可以用來測量物體的旋轉(zhuǎn)角速度，通過積分便可以得到車模的傾角。由 于陀螺儀輸出的是車模的角速度，不會收銀島車體運(yùn)動的影響，因此該 信號中噪聲很小。車模的角度又是通過對角速度積分而得，這可

7、進(jìn)一步 平滑信號，從而使得角度信號更加穩(wěn)定。因此車?？刂扑枰慕嵌群?角速度可以使用陀螺儀所得到的信號。但是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。這個誤差會隨著時間延長逐步 增加，最終導(dǎo)致電路飽和，無法形成正確的角度信號。一種簡單的方法 就是通過上面的加速度傳感器獲得的角度信息對此進(jìn)行校正。通過對比 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，從而積分的角度足部跟蹤到加速度傳感器所得到的角 度。二是實體車體的Solidworks模型，這個參考了市場上已有車型的結(jié) 構(gòu)和自

8、己的創(chuàng)意，這只是機(jī)械機(jī)構(gòu)的初步模型，是為了讓組員能夠方便 的交流自己的想法和加入自己的創(chuàng)意。車輪采用普通的電動車的后輪， 電機(jī)與車輪一體，減少的空間；車座的支撐桿垂直地面，下端連接著可 以折疊的腳踏板，上面是可以根據(jù)使用者身高自由調(diào)節(jié)的車座；把手的 連桿下端與車座的支撐桿下端同軸相連，兩個支撐桿之間通過兩個絞和 連桿連接，因此把手可以繞車軸自由旋轉(zhuǎn)。當(dāng)不使用車時，把手可以向 車座旋轉(zhuǎn)，便于放置和搬運(yùn)，使用車時，可以方便將把手放下。存在的問題:現(xiàn)在存在的問題是：程序方面，程序還需要進(jìn)一步優(yōu)化，采用更好 的算法。這體現(xiàn)在車體模型雖然能夠正常通過兩個輪子站立起來，但是車體抖動得非常的厲害，還有抗干擾

9、性的能力非常弱，一旦有較大的干 擾時，車體便會倒下；傳感器方面：傳感器的性能不是很好，可能需要 更換傳感器，選取性能更佳的傳感器。電路方面：穩(wěn)壓元件的發(fā)熱過度， 還需要優(yōu)化電路。后期計劃：后期我打算做一個獨輪模型，先前的是兩輪模型，主要為了測試我們對傳感器的掌握情況，獨輪模型將更加接近最后的實體結(jié)果， 電路和 傳感器各方面的配合也會更加實體車的結(jié)果，所以這個還有利于我們根 據(jù)模型車的狀況對實體模型的做進(jìn)一步的細(xì)節(jié)設(shè)計， 這個我估計需要兩 個月來完成，因為技術(shù)難度比較大。這項工作完成后我們就可以大約在 11月份下旬正式開始做車的實體模型。（包括：項目目前進(jìn)度、已經(jīng)取得成果、預(yù)期完成情況、存在的問題、后期 計劃等。）三、主要參考文獻(xiàn)（5個以內(nèi)）機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)王新華主編-化學(xué)工業(yè)出版社嵌入式原理與實踐-ARM Coretex-M4 Kinetis 微控制器王宜懷，吳瑾，蔣銀珍編著-電子工業(yè)出版社電子設(shè)計從零開始（第二版）楊欣，萊諾克