兩輪直立自平衡車的設(shè)計_圖文

1、第13卷第4期2013年12月浙江樹人大學(xué)學(xué)報J O U R N A L O F Z H E J I A N G S HU R E N U N I V E R S I T Y V o l .13,N o .4D e c .2013收稿日期:2013-09-26基金項(xiàng)目:浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(Q 12F 03014,L Y 13F 010013;浙江樹人大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目(2013J S 1003;校級項(xiàng)目(2012J A 1010.作者簡介:楊程引,男,浙江杭州人,浙江樹人大學(xué)信息科技學(xué)院通信工程專業(yè)2009級本科生.指導(dǎo)教師:程菊花、陳友榮.兩輪直立自平衡車的設(shè)計楊程引,程菊花,陳友榮,許

2、建芬,李力棟(浙江樹人大學(xué)信息科技學(xué)院,浙江杭州310015摘要:該文提出了一種兩輪直立自平衡車的設(shè)計方案.采用陀螺儀判斷小車的原有姿勢狀態(tài),加速度傳感器計算車體的傾斜角度,濾波算法抵消原有角度的傾斜,采用X S 128處理器處理數(shù)據(jù)和控制小車,最終達(dá)到車體的平衡.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:小車自行保持直立,并且具有較好的回復(fù)平衡能力.該車是驗(yàn)證各種控制算法的理想平臺,具有一定的應(yīng)用前景.關(guān)鍵詞:兩輪自平衡車;卡爾曼濾波;互補(bǔ)濾波;P I D 控制中圖分類號:T N 915.0文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-2714(201304-0001-070引言移動機(jī)器人技術(shù)隨著計算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、微電子技術(shù)

3、、材料技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)步而發(fā)展,同航天技術(shù)一樣,其發(fā)展水平甚至代表了一個國家的綜合科技實(shí)力.1兩輪直立自平衡小車作為一種特殊的移動機(jī)器人,具有地形適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)動靈活、驅(qū)動功率小、續(xù)航時間長等特性,可以作為運(yùn)載工具和一些設(shè)備的運(yùn)行平臺.兩輪直立自平衡小車要求其在完成自身平衡的同時,還能夠適應(yīng)各種環(huán)境下的控制任務(wù),即是一個自動控制系統(tǒng)平臺.小車的平衡控制是控制算法的一個重要分支和典型應(yīng)用,已成為人們重點(diǎn)研究的課題之一.2筆者根據(jù)動態(tài)穩(wěn)定原理,提出一個可以直立并保持平衡的實(shí)驗(yàn)車,可作為一個自動控制系統(tǒng)平臺以研究各種自動控制算法.1自平衡車總體設(shè)計兩輪直立自平衡車的運(yùn)作原理是建立在一種被稱為“動態(tài)穩(wěn)

4、定”(D yn a m i c S t a b i l i z a t i o n 的基本原理上,也就是車輛本身的自動平衡能力.3即利用傳感器檢測車體狀態(tài),反饋數(shù)據(jù)給中央控制器,再由中一個自動控制產(chǎn)品往往包括硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng),其中硬件系統(tǒng)由電路系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)組成;軟件系統(tǒng)分為底層代碼和實(shí)現(xiàn)算法.在兩輪自平衡系統(tǒng)中,軟件系統(tǒng)主要包括用于實(shí)現(xiàn)路徑識別的算法、電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)以及導(dǎo)引策略等,如圖1所示.為了便于改裝和替換,方案采用了模塊化設(shè)計,由5個模塊組成.核心控制模塊以飛思卡爾16位單 .圖1直立自平衡車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖2兩輪直立自平衡車模運(yùn)行原理示意圖1.2小車運(yùn)行原理兩輪直立自平衡車模運(yùn)行原理是

5、閉環(huán)控制的典型代表,其流程示意如圖2所示.自平衡車?yán)眉铀俣扔嫼屯勇輧x兩個傳感器獲取小車姿態(tài)信息,將初始信號傳給單片機(jī),單片機(jī)將信號A D 轉(zhuǎn)換后進(jìn)行角度融合計算,得出融合值再與根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定的臨界值進(jìn)行比較.單片機(jī)根據(jù)判斷情況作出決策,按照設(shè)定程序發(fā)出P WM 信號控制電機(jī)輸出,從而實(shí)現(xiàn)車體直立運(yùn)行.42 自平衡車硬件設(shè)計圖3主要硬件組成結(jié)構(gòu)核心控制模塊由X S 128MA A 系統(tǒng)板和外圍電路組成.為了實(shí)現(xiàn)車模直立行走,需要采集和傳遞各種信號,其設(shè)計思路為:車模陀螺儀信號,獲得車模的角速度;重力加速度信號(z 軸信號,補(bǔ)償陀螺儀的漂移,并獲得車模傾角角度;串口通信信號,用以傳送車模運(yùn)行中

6、各類數(shù)據(jù);P WM 驅(qū)動信號,用來控制電機(jī)工作,使小車直立 .圖4主板電路設(shè)計如圖4所示,X S 128為小車的C P U ,其中端口A D 整合了1個16位通道A T D 模塊,為模數(shù)輸入端口;端口P 整合了P WM 模塊,用于P WM 波輸出;端口S 、M ,有漏極開路控制寄存器;J 有基于每個針腳的中斷標(biāo)志寄存器(作為保留功能端口;端口A 有一個上拉控制寄存器,用來控制驅(qū)動芯片L 298的使能.X S 128的左邊最上端S C I _W 為串口通信接口,其中1管腳接+5V 邏輯電位;2管腳接地;2浙江樹人大學(xué)學(xué)報2013年管腳3接S 0為單片機(jī)的串口發(fā)送端,接U S B 串口的接收端;管

7、腳4接S 1為單片機(jī)的串口接收端,接U S B 接發(fā)射端.S C I _W 的下方是E N C MMA 接口,是加速度計和陀螺儀的整合接口,其中管腳2和3一頭接單片機(jī)的M 4和M 5,另一頭接加速度計的S D A 和S D L , 電源管理模塊圖5電源模塊兩輪直立自平衡車作為一個獨(dú)立的自動控制系統(tǒng)包含多個工作模塊,各個模塊需要的額定工作電壓各不相同,因此系統(tǒng)需要一個有效管理電源分配的電源管理模塊.設(shè)計采用一塊“12V ,1A ”的鋰電池組,開關(guān)電源作為供電模塊以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效的電源管理分配,其電路原理如圖5.L M 2576芯片用來產(chǎn)生波紋電流,其管腳3接+12V 鋰電池的輸入, 電機(jī)驅(qū)動模塊圖

8、6電機(jī)驅(qū)動模塊電路電機(jī)部分是整個平衡車系統(tǒng)的動力部分,是車模能夠直立最重要的部分.對電機(jī)的穩(wěn)定持續(xù)供電是整個設(shè)計中最重要的環(huán)節(jié),為了避免長時間使用電源,造成電源電壓下降引起的輸出不穩(wěn)定,采用了P WM 輸出控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的方法.如圖6所示,驅(qū)動芯片L 298N 的I N 1到I N 4四路用作單片機(jī)P WM 波的信號輸入;EN A 和E N B 接A 0和A 1,接收單片機(jī)的使能信號;V S S 接+5V 邏輯電平,V傳感器模塊采用E N C -03陀螺儀和MMA 8452Q 加速度計,用來檢測車模姿態(tài).E N C -03(圖7是一種應(yīng)用科里奧利力原理的角速度傳感器,它輸出一個和角速度成正比關(guān)系

9、的模擬電壓信號.陀螺儀轉(zhuǎn)動時,在其敏感方向會產(chǎn)生正或負(fù)壓信號輸出,轉(zhuǎn)動角速度越大,輸出模擬電壓的變化值越大;當(dāng)停止轉(zhuǎn)動時,輸出電壓會回復(fù)到預(yù)設(shè)電壓電平(V r e f .由于E N C -03存在比較明顯的溫漂現(xiàn)象,所以在實(shí)際應(yīng)用中采用將陀螺儀信號和加速度計信號進(jìn)行互補(bǔ)濾波或卡爾曼濾波兩波融合 .圖7陀螺儀芯片電路 圖8加速度計芯片電路3第4期楊程引,程菊花,等:兩輪直立自平衡車的設(shè)計 圖9小車整體效果MMA8452Q (圖8則是一款具有12位分辨率的智能低功耗、三軸、電容式微機(jī)械加速度傳感器,具有豐富的嵌入式功能,帶有靈活的用戶可編程選項(xiàng),可以配置多達(dá)2個中斷引腳.由于MMA 8452Q 加

10、速度計獲取的是一組三個方向的數(shù)字信號,需要編寫算法對信號進(jìn)行采集處理,獲得一個直觀的波形信號,然后對采集到的信號進(jìn)行反三角計算,得到車模重力加速度傾角(z 軸加速度角度.由于車模運(yùn)行時會產(chǎn)生振動,采集的信號有大量的噪聲,因此必須采用濾波算法對信號進(jìn)行濾波處理,使信號變得平整.2.5車輛機(jī)械結(jié)構(gòu)改造如圖9所示,為了便于實(shí)現(xiàn)直立和降低設(shè)計難度,小車采用大輪胎,將車體最重的電池安裝于底部,降低整車重心,提高穩(wěn)定性.同時,對裝有傳感器的主板進(jìn)行了加高,使得小車在發(fā)生傾斜時,傳感器接受外界環(huán)境變化更為敏感.3自平衡車軟件設(shè)計小車維持平衡主要依靠多傳感器融合與電機(jī)的P I D 控制.其中加速度計用來檢測小

11、車是否傾斜和傾斜程度,一旦傾斜,由陀螺儀觸發(fā)控制電機(jī)啟動,再由加速度計控制小車是否回正,并停止電機(jī)驅(qū)動.程序控制總流程如圖10 .圖10主程序流程3.1傾角的計算原理設(shè)加速度計的兩個軸分別為x 和y ,x 與水平軸的夾角為,當(dāng)加速度計靜止時,它會測量到重力在x 軸和y 軸上的分量,將x 和y 兩個分量用反三角變換就能得到真實(shí)的傾斜角度量.角度計算代碼如下:Z _A c c=MMA 845x _r e a d b yt e (O U T _Y _M S B _R E G ;/讀取加速度計算傳感器信號I f (z _A c c >127v z=z _A c c -256;A c c _A n

12、 gl e=a s i n f (v z *4.0/256*57.29578;4浙江樹人大學(xué)學(xué)報2013年 圖11P D 控制算法程序流程E l s e vz=z _A c c ;A c c _A n gl e=a s i n f (v z *4.0/256*57.29578;/將讀取的加速度計數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的角度值3.2P I D 控制軟件設(shè)計PI D 控制是工程實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律.它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一.5本設(shè)計實(shí)際直立使用的是P D 控制,其思路和運(yùn)算方法與P I D 算法相同,僅僅將積分參數(shù)省略不進(jìn)行計算.P D 控

13、制算法程序流程如圖11所示.程序中P (控制比例參數(shù)和D (控制微分參數(shù)可以根據(jù)車模實(shí)際情況進(jìn)行修改,以達(dá)到小車直立的要求.在調(diào)節(jié)時,先設(shè)置D=0,調(diào)節(jié)P 參數(shù),用來增大小車的回復(fù)力,等到P 達(dá)到一定值后小車開始振動(此時P 已經(jīng)過大,再開始調(diào)節(jié)D 值(D 值相當(dāng)于倒立擺中的阻尼力,該值可以有效抑制小車的振動,但該值過大也會造成車體抖動,選擇一個合適的參數(shù)值需要進(jìn)行耐心調(diào)試.3.3直立控制軟件設(shè)計(如圖12 圖12直立控制流程首先獲取傳感器數(shù)據(jù),同時將加速度計傳感器的信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的角度值,進(jìn)行調(diào)整;接著對陀螺儀數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化,再將加速度計和陀螺儀信號值調(diào)整到相同規(guī)格大小;然后使用卡爾曼濾波將信

14、號進(jìn)行濾波及角度融合.調(diào)用P D 算法對車體進(jìn)行控制,經(jīng)過P D 算法處理后的P WM 波可以用來控制電機(jī)的輸出.當(dāng)車模向前傾斜時,驅(qū)動電機(jī)向前運(yùn)動,使小車直立平衡;當(dāng)車模向后傾斜時,驅(qū)動電機(jī)向后運(yùn)動,使小車直立平衡.4濾波算法加速度計和陀螺儀分別測量車體的傾斜角度和傾斜角速度.而快速獲取精確、可靠的傾角和角速度信息需要用到濾波算法.4.1平均濾波算法平均濾波算法較為簡單,就是將每次加速度計傳感器獲取的信號進(jìn)行累加,累加次數(shù)用g i _A n g l e -C o u n t 記錄,等到滿足次數(shù)后將累加后的數(shù)值g i _A n gl e S u m 除以累加次數(shù),求得這幾次信號的平均值g在加速

15、度計的實(shí)際工作情況中,測得的加速度不僅有靜態(tài)分量,還存在一個小車運(yùn)動時產(chǎn)生的動態(tài)加速度分量,所以需要采用數(shù)字低通濾波器對信號進(jìn)行處理,在綜合求傾角時要加上一個數(shù)字高通濾波5第4期楊程引,程菊花,等:兩輪直立自平衡車的設(shè)計需要注意的是,累加時數(shù)值不要超過定義類型的范圍,數(shù)據(jù)溢出將導(dǎo)致計算結(jié)果失真.在程序運(yùn)行中,累加次數(shù)過多,不僅有數(shù)據(jù)溢出的風(fēng)險,還會導(dǎo)致程序運(yùn)行變慢,加大單片機(jī)運(yùn)算負(fù)擔(dān);累加次數(shù)少,則信號處理效果不明顯,信號毛刺和抖動改善效果不大. 器 角度計算公式 ： 浙江樹人大學(xué)學(xué)報 年 · ） × （ ） × （ 其中 ， 為 濾 波 后 角 度 值 ， 為上

16、 次濾波后得到的角度值 ， 為陀螺 儀 輸 出 角 速度 ， 為濾波參 為 加 速 度 計 輸 出 角 度 值 ， 數(shù) 式中 ， 陀螺儀進(jìn) 行 高 通 濾 波 ， 加速計進(jìn)行低 通濾波 ， 通 過 改 變 濾 波 參 數(shù) 的 值， 就可以得 到不同的 效 果 其 優(yōu) 點(diǎn) 在 于 簡 單 實(shí) 用， 易于理 解， 但參數(shù)需要多次調(diào)試才能達(dá)到較理想的效果 互補(bǔ)濾波的原理如圖 所示 卡爾曼濾波算法 卡爾曼濾波在這個系 統(tǒng) 中 同 樣 能 達(dá) 到 比 較 好 的 效 果 ， 另 外 它 具 有 自 校 零 點(diǎn) 作 用， 適 應(yīng) 性 較 強(qiáng)、 精 度高 ， 采用 狀 態(tài) 空 間 描 述 法 ， 卡爾曼濾波

17、算法是根據(jù)遞推最優(yōu)估計理論 在 算 法 上 采 用 遞 推 形 式， 能處 圖 互補(bǔ)濾波原理 理多維和非平穩(wěn)的隨機(jī)過程 如表 所示 ， 是融合后真實(shí)角度值 ， 是矯正后陀螺儀信號控制量 ， 和 是系統(tǒng)參數(shù) ， 其中， 在程序中設(shè)定為 是系統(tǒng)過程的協(xié)方差 ， 是測量誤差的 卡爾曼濾波算法流程如圖 協(xié)方差 ， 取 矩陣為加速度計和陀螺儀測量各自協(xié)方差 所示 表 卡爾曼計算公式 步驟 預(yù)測 ） 時間更新 （ 公式 修正 ） 測量更新 （ ） （ ） （ 圖 卡爾曼濾波算法流程 濾波效果比較 車模在前后擺 動 時 ， 陀螺儀直接采集的信號在反應(yīng)車模 發(fā)生轉(zhuǎn)動后會形 成 一 個 反 方 向 的 小 波

18、峰 ， 這就是陀螺儀的溫 ） ， 這時需 要 通 過 算 法 將 陀 螺 儀 和 加 速 度 計 進(jìn) 行 漂效應(yīng) （ 圖 兩波融合來補(bǔ)償信號 經(jīng)平均濾波處理的加速 三種濾波算法效 果 比 較 如 圖 度計信 號 ， 波 形 毛 刺 減 少、 信 號 更 平 滑 互補(bǔ)濾波算法將陀螺 儀和加 速 度 計 融 合 后 ， 波 形 平 滑， 幾 乎 沒 有 毛 刺 和 抖 動， 陀螺 儀原有的溫漂現(xiàn)象也得到消除 卡爾曼濾波之后波形更平滑， 兩波融合的效果也更加好 ， 但該波形存在明顯的延遲 總之 ， 互補(bǔ)濾波和卡爾曼濾波在波形上比較 ， 卡爾曼濾波處理后的波形更平滑 ， 濾波效果更加明顯 ， 但由于其

19、計算誤差量 ， 并進(jìn)行多次迭代運(yùn)算 ， 波形輸出會有明顯的滯后 ， 且對處理機(jī)的運(yùn)算能力要求較 高， 在單片機(jī)上運(yùn)行會有較大壓力 ； 互補(bǔ)濾波則相對簡單 ， 只使用一個公式計算就可以處理完成 ， 對單片 圖 陀螺儀信號的溫漂現(xiàn)象 第期 楊程引 ， 程菊花 ， 等： 兩輪直立自平衡車的設(shè)計 機(jī)要求相對較低 同時卡爾曼濾波需要對算法有較高的理解 在系統(tǒng)要 求 不 高 的 情 況 下 ， 選擇互補(bǔ)濾波 具有較高的性能比 ； 在系統(tǒng)要求較高時則選擇卡爾曼濾波能提供更高的精度 圖 濾波效果比較 因此 ， 在車模對運(yùn)動性要求較高時建議采用互補(bǔ)濾波算法 ， 對小車保持姿態(tài)要求精度較高時建議選 擇卡爾曼濾波算

20、法 總 結(jié) 兩輪直立自平衡車是一個相對簡單的復(fù)雜系統(tǒng) ， 是檢驗(yàn)各種控制方法處理能力的典型裝置 ， 受到世 筆者根據(jù)動態(tài)穩(wěn)定原理 ， 界各國科學(xué)家的重視 給出了兩輪 直 立 自 平 衡 車 系 統(tǒng) 的 硬 件 和 軟 件 設(shè) 計 ， 經(jīng) 過實(shí)際運(yùn)行 ， 車模能夠?qū)崿F(xiàn)直立平衡 ， 互補(bǔ)濾波算法和卡爾曼濾波算法 各 有 優(yōu) 缺 點(diǎn) ， 可供車模不同性能 要求時選擇參考 參考文獻(xiàn) ： · 西格沃特 ， ·· 諾巴克什 自主移動機(jī)器人導(dǎo)論 李人厚譯 ， 西安 ： 西安交通大學(xué)出版社 ， ： 朱加輝 兩輪自平衡小車反饋線性化及變結(jié)構(gòu)控制研究 西安 ： 西安電子科技大學(xué) ，

21、劉斌 兩輪自平衡小車軟硬件研發(fā)與基于模糊線性化模型的變結(jié)構(gòu)控制研究 西安 ： 西安電子科技大學(xué) ， ， ， （ ） ： ， 李蒙 天津 ： 基于 天津大學(xué) ， 單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng) 周海旭 兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計 哈爾濱 ： 哈爾濱工程大學(xué) ， 潘迪夫 ， （ ） ： 劉輝 ， 李燕飛 基于時間序列分析和卡爾曼濾波算法的風(fēng)電場風(fēng)速預(yù)測優(yōu)化模型 電網(wǎng)技術(shù) ， ， 李洋 ， （ ） ： 機(jī)械工程與自動化 ， 梁義維 基于 與 的兩輪平衡小車控制算法的仿真研究 ， ， ， ， （ ， ， ） ， ， ： ， ： ； ； ； （ 責(zé)任編輯 陳 維君 ） 第 卷第 期 年 月 浙江樹人大學(xué)學(xué)報 ， 基

22、于損耗模型的紡織專用矢量變頻 調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能技術(shù) 許森， 金詩巍 徐路遙 ， ） （ 浙江 杭州 浙江樹人大學(xué) 信息科技學(xué)院 ， 其工作時間長 、 調(diào) 速 性能要求較高 ， 因此 在 保 證 感 應(yīng) 電 機(jī) 摘要： 交流 感 應(yīng)電機(jī)在紡織 設(shè) 備中廣泛應(yīng) 用 ， 控制 性能 的 前 提 下 ， 降低紡織 設(shè) 備能耗以節(jié)約成本成為紡織行業(yè) 一 個亟待解決 的 問題 該文針對紡織設(shè) 備 的 特性 ， 在 感 應(yīng)電機(jī)調(diào) 速方法 上 采用 轉(zhuǎn)子磁場定向 的 矢量 控制算法 ， 并 根 據(jù)感 應(yīng)電機(jī) 損 耗 模 型 求 出 最 優(yōu) 轉(zhuǎn)子磁 鏈 ， 實(shí) 現(xiàn) 了 變頻 調(diào) 速 系統(tǒng)效率 最 優(yōu) 的控制 算 法 試 驗(yàn) 結(jié) 果 表 明， 該算法在保證調(diào)速系統(tǒng)性能的 前提下， 有 效 降低 了 變頻 調(diào) 速 系統(tǒng) 的 能耗 ， 系統(tǒng)運(yùn) 行 穩(wěn) 定 ， 具 有 廣泛 的 應(yīng) 用 前景 關(guān)鍵詞 ： 紡織 設(shè) 備 ； 感 應(yīng)電機(jī) ； 矢量 控制 ； 節(jié)能 技 術(shù) （ ） 中圖分類號 ： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ： 文章編號 ： 引 言 感應(yīng)電機(jī)在梳棉機(jī) 、 粗紗機(jī) 、 細(xì)紗機(jī) 、 精梳機(jī) 、 并條機(jī) 、 絡(luò)筒機(jī)等紡織設(shè)備中有廣泛的應(yīng)用 ， 而且大部 分紡織設(shè)備每天工作時間都在 以上 ，