基于PID控制器的兩輪自平衡小車設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、蘋宓屠素大第本科畢業(yè)設(shè)計(jì)基于PID控制器的兩輪自平衡小車設(shè)計(jì)摘要兩輪自平衡小車具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，適用于狹小和危險(xiǎn)的工作空間，在安防和軍事上有廣泛的應(yīng)用前景。兩輪自平衡小車是一種兩輪左右平衡布置的，像傳統(tǒng)倒立擺一樣，本身是一種自然不穩(wěn)定體，其動(dòng)力學(xué)方程具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變、參數(shù)不確定性等特性，需要施加強(qiáng)有力的控制手段才能使其保持平衡。n恁潤屬彩瘞睞楊尻賴。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(jì)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)

2、調(diào)整小車狀態(tài)，使小車保持平衡。由于陀螺儀存在溫漂和積分誤差，加速度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，不能有效可靠的反應(yīng)車身的狀態(tài)，所以軟件使用互補(bǔ)濾波算法將陀螺儀和加速度傳感器數(shù)據(jù)融合，結(jié)合陀螺儀的快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和加速度傳感器的長時(shí)間穩(wěn)定特性，得到一個(gè)優(yōu)化的角度近似值0制溝/爵牌愛稽譴凈。文中最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了自平衡小車軟硬件控制方案的可行性。關(guān)鍵詞：自平衡互補(bǔ)濾波數(shù)據(jù)融合倒立擺Two-wheeledSelf-balancingRobotMaXuedong(CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,Chin

3、a薄鷲樓靜鑄源湃淑sm。Abstract:Thetwo-wheeledself-balancingrobotissmallinmechanism,withsimplestructureandcanmakeflexiblemotion,suitablefornarrowanddangerousworkspace.Soithaswiderangeofapplicationsinsecurityandmilitary.Thetwo-wheeledself-balancingrobotisanaturalunstablesystem.Thedeviceofthissystemisaparallelar

4、rangementoftwosinglewheels,likeatraditionalinvertedpendulum.Itsdynamicsaremulti-variable,non-linear,seriouscouplinganduncertainparametersetc.Itmustbeexertedstrongcontroltomakeitstabled鋼極鎮(zhèn)檜豬錐。Inthispaper,studiesontwo-wheelself-balancingvehicleathomeandabroadaresummarized.Wedesignedthehardwareandsoftw

5、areofourtwo-wheelself-balancingvehicle.Thecarusingrotationalaccelerometers,gyroscopesandaccelerationsensorstodetectbodyconditionandthestateinwhichthepitchchangerate.Thecentralprocessingunitcalculatetheappropriatedataandinstructions,andcontrolthemotortoachievethebodybalancing.Becauseofgyrodriftproble

6、msandIntegralerrorwithaccelerometersandslowdynamicresponseofaccelerationsensors.Itcan'tprovideeffectiveorreliableinformationtoreflecttherealstateofitsbody.Soweusingcomplementaryfiltertofusethedataoftwosensors,sothattheinclinationofitsbodycanbeapproximatedbetter.貿(mào)攝爾霽斃撰磚鹵尻Finally,weverifiedthefeas

7、ibilityofthesystem'hardwareandsoftwarethroughexperiments養(yǎng)技篋飆鱗戀類蔣薔。KeyWords:Self-BalancingcomplementaryfilterDataFusionInvertedPendui廈礴懇蹣駢日寺翥繼騷。1 刖言0煢楨廣鯽獻(xiàn)選塊網(wǎng)踴淚。1.1 研究意義0鵝婭盡揖鶴慘屣蘢»（。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀0麓叢媽趣為贍債蛭練濟(jì)1.2.1 國外研究成果051m圣齦訝驊汆。1.2.2 國內(nèi)研究成果1滲嗆儼勻謂鱉調(diào)硯球1.3 本文的研究內(nèi)容1錢臥瀉嵯圣騁越2 兩輪平衡車的平衡原理1懶1鳳襪備鄱®輪爛

8、薔。2.1 平衡車的機(jī)械結(jié)構(gòu)1嬲熟俁閹閶鄴錢鼠2.2 兩輪車傾倒原因的受力分析2壇搏鄉(xiāng)it懺簍鍥鈴覲測2.3 平衡的方法2蠟燮夥痛宰艮住鉉錨金市贅。3系統(tǒng)方案分析與選擇論證3翼雕輔曇遙閆擷凄。3.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3鋪MWf®蹤韋輸?shù)浴?.1.1 主控芯片方案3H顏震彥決綏飴夏錦。3.1.2 姿態(tài)檢測傳感器方案3貓繪燎的朱髏既尻。3.1.3 電機(jī)選擇方案4鍬籟饕逕瑣箝奧鷗婭薔。3.2 系統(tǒng)最終方案5橫氽彘韶0飩芹齦話鷲。4主要芯片介紹和系統(tǒng)模塊硬件設(shè)計(jì)5輒峰隔槿斛標(biāo)般虢滎。1.1 力口速度傳感器ADXL3455堯側(cè)閨絢勘蝙督。1.2 陀螺儀傳感器L3G4200D8識昆縊堞竟喇嚴(yán)貴1.3

9、 主控電路9濂em勞嘛皆癇嫦脛汆。1.4 電機(jī)當(dāng)區(qū)動(dòng)電路10月除粵滅縈歡；鷲球1.5 供電電路11鯊督輸出襁金甲濟(jì)雇統(tǒng)康。5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)12碩移瀕諂攆懈1糠敬。5.1 系統(tǒng)初始化13闋擻400遷擇植秘H。5.2 濾波器14氨嚕螂富貿(mào)懇彈演頷泉。5.2.1 低通濾波器15缸循資贏隼!孫滋御贅。5.2.2 互補(bǔ)濾波器15慫闡IW逕醇嘯重是涼。5.3 PID控制器17諺辭WBt諂動(dòng)律瀉熟5.3.1 PID概述17啜覲言圭緣錫囁俱觸車合鑄。5.3.2 數(shù)字PID算法18受紿iBEBWWOI庫。5.3.3 PID控制器設(shè)計(jì)1811漬蟆OOBm暹藏。6 硬件電路19封憂蔣氟if蒼H鞫閔鷲。6.1 硬件制

10、作與調(diào)試19穎芻堇蟆悖億頓裳賠洸。6.2 硬件調(diào)試結(jié)果19濫嬲詹理聚翅PltB寢聰。6.2.1 姿態(tài)感知系統(tǒng)測試結(jié)果19齦懶躋鰻鴻鍋腳加6.2.2 PID控制器測試結(jié)果20擠牖§電爰結(jié)劍#嘵類。7 結(jié)論22賠旗申諂覦聚遼輩襪金卷。參考文獻(xiàn)23填碾髓儲(chǔ)決穩(wěn)賽法卜t。附錄24裳檬祕Mffi顫諺劍羋藺。致謝26倉姬黯世囑瓏言古膂繆華南農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)成績評定表1 前言1.1 研究意義應(yīng)用意義。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(yùn)動(dòng)動(dòng)能的提供者，載重越大，行駛動(dòng)能也就越大，具有環(huán)保的特點(diǎn)（胡春亮等，2007）。駕駛者不必?fù)?dān)心掌握平衡，車體自身的平衡穩(wěn)定性，使

11、得原本由于平衡能力障礙而無法騎自行車的人群也同樣可以駕馭。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)。自平衡車的種種優(yōu)點(diǎn)使其可以作為一種快速、環(huán)保、安全、舒適、小巧靈活的綠色交通工具，是未來汽車和自行車的替代品，其市場的廣闊性與經(jīng)濟(jì)效益不言而喻。綻離璉頓娛蛭蠲絡(luò)清鼠理論研究意義。自平衡車，在重力作用下車體姿態(tài)本征不穩(wěn)定，需要電機(jī)的控制來維持姿態(tài)的平衡，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)車輪，傳感器、軟件、微處理器及車體機(jī)械裝置整體協(xié)調(diào)控制電動(dòng)車平衡，是集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合復(fù)雜非線性系統(tǒng)，其控制難度大，控制算法復(fù)雜，給控制理論提出了很大的挑戰(zhàn)，具有較強(qiáng)的理論研

12、究價(jià)值。驍顧烽號息琉意翰®1.2 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。國內(nèi)的一些高校以及科研機(jī)構(gòu)也對其有所研究，并取得了一定的成績。底橫曖障銀編,歌箭涼。1.2.1 國外研究成果美國Lego公司SteveHassenplugiS計(jì)了兩輪自平衡傳感式機(jī)器人Legway。實(shí)現(xiàn)了電機(jī)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，遙控操作，可以向前，向后和轉(zhuǎn)彎時(shí)保持平衡，可以實(shí)現(xiàn)U型回轉(zhuǎn)和零半徑轉(zhuǎn)彎。Legway是第一個(gè)自平衡機(jī)器人。采用了模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，安裝和拆卸者B彳艮方便。金留詩浬艷損樓余世搟掰®。日本村田制作所的科學(xué)家研發(fā)了騎獨(dú)輪車的機(jī)器人村田頑童”

13、和襯田婉童”。保持左右平衡通過轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器人體內(nèi)配備的慣性輪來實(shí)現(xiàn)。櫛緞雕蜩海種瑤銀瑞士聯(lián)邦工學(xué)院的工業(yè)電子實(shí)驗(yàn)室為模擬人類行走設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)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(shí)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)。轡闡刷殮撰瑤麗閹應(yīng)。1.2.2 國內(nèi)研究成果哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的HITBot兩輪自平衡小車，采用Accodometry方法，通過融合碼盤和加速度級數(shù)據(jù)對位置進(jìn)行估計(jì)，有效解決了兩輪自平衡小車在運(yùn)行過程中遇到打滑、越障、碰撞等異常事件而導(dǎo)致的位置估計(jì)失敗的問題，解決了非系統(tǒng)測程法誤差對機(jī)器人位置估計(jì)的影響，降低了加速度級固有

14、漂移的不利影響，提高了兩輪自平衡車的定位精度。崛揚(yáng)斕滾淌輻浸興渙氤深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院等設(shè)計(jì)的兩輪自平衡小車Opyanbot,應(yīng)用最優(yōu)控制與兩輪差動(dòng)等控制方法設(shè)計(jì)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。為了提高兩輪自平衡機(jī)器人的控制效果，利用基于DSP數(shù)字電路的全數(shù)字智能伺服驅(qū)動(dòng)單元IPM100分別精確控制左右輪電機(jī)，并利用上位機(jī)實(shí)時(shí)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提高了控制精度、可靠度和集成度，得到了很好的控制效果。爵叁登內(nèi)燼憂毀厲餓警。1.3 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。姿態(tài)檢測算法通過互補(bǔ)濾波器融合姿態(tài)傳感器（加速度傳感器和陀螺儀傳感

15、器）數(shù)據(jù)，得到小車準(zhǔn)確穩(wěn)定的姿態(tài)信息，PID調(diào)節(jié)器則利用這些姿態(tài)信息，輸出電機(jī)控制信號，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使小車得以平衡。則覦愜靠瘓K暉園棟游2兩輪平衡車的平衡原理2.1 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(jì)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(dòng)層，電池層用于放置給整個(gè)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(dòng)層接受單片機(jī)信號，并控制電機(jī)。每個(gè)層都是功能模塊的電路路板之間用銅柱固定，電機(jī)外殼與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板固定，電機(jī)轉(zhuǎn)軸與兩只輪胎相連。脹鰻彈奧秘打攣鈕除2.2 兩輪車傾

16、倒原因的受力分析兩輪車是一個(gè)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）。其受力如圖2所示。解網(wǎng)禱朗誦幫廢捕叫“mg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180°時(shí)，系統(tǒng)此時(shí)受力平衡，可以達(dá)到穩(wěn)定不倒的狀態(tài)，8角度為0°。但自然界存在各式各樣的干擾，8角度總不為0,只要產(chǎn)生8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(yùn)動(dòng)定律可知，8角度將越來越大，直至車體傾倒在地上。薪戢I(xiàn)賑維躋膿擴(kuò)案。2.3 平衡的方法從以上分析可得，導(dǎo)致車體傾倒的最大因素是8

17、角度的產(chǎn)生，因此，欲使小車平衡，需要消除8或者將8角度控制在一個(gè)足夠小的范圍內(nèi)。其整體控制環(huán)路圖3所示。隨夏境鞋ff燒嗚舊指一*轉(zhuǎn)動(dòng)車輪,j©變小J車I溫<><）JI圖3小車平衡原理流程圖消除8角度的有效方法，是通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)車體下部的移動(dòng)，以保持與車體上部在一水平垂直線上。3系統(tǒng)方案分析與選擇論證3.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3.1.1 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。此芯片是以ARM的Cortex-M系列為內(nèi)核的單片機(jī)，相對其他單片機(jī)，外設(shè)豐富，主頻高，價(jià)格便宜，有專門的軟件庫，操作簡單，調(diào)試方便，低功耗。強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻

18、率達(dá)到72MHz,是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時(shí)鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價(jià)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。加粥建整H楮閽氤方案二：采用ATMEL公司的AVR單片機(jī)AVR單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)采取8位機(jī)與16位機(jī)的折中策略，即采用局部寄存器存堆（32個(gè)寄存器文件）和單體高速輸入/輸出的方案（即輸入捕獲寄存器、輸出比較匹配寄存器及相應(yīng)控制邏輯）。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。其中的一款單片機(jī)型號為Atmega128,有64個(gè)引腳，最高可達(dá)到16M主頻，IIC,UART,SPI接口都比較豐富，但價(jià)格高。鋼榮產(chǎn)濤困藺。方案三

19、：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。此芯片內(nèi)置ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換）和IIC總線接口，且內(nèi)部時(shí)鐘不分頻，可達(dá)到1MPS。性價(jià)比低;。慨樹T悔觸樂鵬燼律鼠考慮到此系統(tǒng)的復(fù)雜度，需要與傳感器進(jìn)行IIC通訊，輸出靈活可控制的PWM信號，以及進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算。從性能和價(jià)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。飽兗爭音旨船癩別演。3.1.2 姿態(tài)檢測傳感器方案方案一：使用加速度傳感器進(jìn)行傾角。重力加速度傳感器（g-sensor能過輸出以其芯片為中心的三軸加速度，通

20、過這三個(gè)軸的重力加速度便可以計(jì)算出芯片的傾角，即車體的傾角。該方案的優(yōu)點(diǎn)是重力加速度的靜態(tài)性能很好，在車體靜態(tài)下能測出準(zhǔn)確穩(wěn)定的傾角，而在動(dòng)態(tài)下，三軸加速度各軸會(huì)受到其它加速度的影響，導(dǎo)致其數(shù)據(jù)并不穩(wěn)定可靠。吊鉉俯歟謙鵑餃競蕩賺。方案二：使用陀螺儀傳感器進(jìn)行測量。陀螺儀傳感器能輸出圍繞以芯片為中心的三個(gè)軸的角速度，通過讀角速度的積分，即可得出傾角。該方案的優(yōu)點(diǎn)是陀螺儀的動(dòng)態(tài)性能很好，在動(dòng)態(tài)下測出的角速度沒有太多的混雜成分，缺點(diǎn)是陀螺儀具有靜態(tài)漂移，即靜態(tài)下，陀螺儀仍然會(huì)輸出數(shù)值，而積分卻一直在進(jìn)行，因此靜態(tài)時(shí)，測出來的角度并不是0°0瑩諧齷新賞組霸紿殿減。方案三：加速度傳感器與陀螺儀

21、傳感器結(jié)合，通過融合算法，提取出加速度傳感器的靜態(tài)效果和陀螺儀的動(dòng)態(tài)效果。優(yōu)點(diǎn)是能測出準(zhǔn)確穩(wěn)定的傾角，但融合算法比較復(fù)雜?？蠲C鵬鋪轎黑鐐縛褥耀。綜上考慮，由于準(zhǔn)確穩(wěn)定的傾角正是本文要討論的話題，因此最終選擇方案三，即加速度傳感器與陀螺儀傳感器數(shù)據(jù)融合測量傾角。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。納疇鰻嶗牌口膩鰲銀3.1.3電機(jī)選擇方案方案一：步進(jìn)電機(jī)。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(dòng)性能；控制精度較高，誤差不會(huì)累積。但是步進(jìn)電機(jī)步距角固定，分辨率缺乏靈活

22、性，而且步進(jìn)驅(qū)動(dòng)時(shí)容易造成車體震蕩，不利于小車的穩(wěn)定。步進(jìn)電機(jī)雖然可以使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式克服上述缺點(diǎn)，但是細(xì)分驅(qū)動(dòng)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。蜀翻耀鐵頻鈣薊糾廟。方案二：直流無刷電機(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(diǎn)，而且無刷電機(jī)沒有換向器和電刷，可靠性高，壽命長。但是無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，而且在本設(shè)計(jì)中小車為實(shí)驗(yàn)性質(zhì)，車身較小，市面上很難找到大小合適的直流無刷電機(jī)。滅曖駭It的昔腰孤方案三：直流有刷電機(jī)。直流有刷電機(jī)具有機(jī)械特性硬，響應(yīng)速度快，調(diào)速范圍寬的特點(diǎn)，滿足兩輪自平衡小車對靈敏性、快速性等要求，雖然電機(jī)的電刷會(huì)是電機(jī)的壽命縮短，還會(huì)引

23、發(fā)電磁干擾。但是由于本設(shè)計(jì)負(fù)載較輕，換向器和電刷的損耗較低。小車采用多層機(jī)械結(jié)構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與其他電路分離，有效降低電磁干擾。鎊鵬餉懈覃費(fèi)W«o綜上所述，本設(shè)計(jì)使用兩個(gè)6V帶有減速齒輪的直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩輪自平衡小車。3.2 系統(tǒng)最終方案使用STM32RBT6為主控芯片，通過IIC接口讀取陀螺儀傳感器L3G4200和力速度傳感器ADXL345的數(shù)據(jù)，再將兩者數(shù)據(jù)融合測出小車的姿態(tài)，最終通過PID輸出PWM電機(jī)控制信號，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成對電機(jī)的控制。此外，為了調(diào)試方便，除了設(shè)計(jì)了上述給模塊外，還擴(kuò)展了兒INK接口，使用的是SWD模式，用于仿真調(diào)試，同時(shí)擴(kuò)展了串口電路，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)將需要

24、觀察的數(shù)據(jù)通過用傳輸?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。系統(tǒng)方框圖如圖5所示。攜頻噪隱綿凝郵。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(jì)4.1加速度傳感器ADXL345MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems微機(jī)電系統(tǒng)有一類傳感器是加速度傳感器。ADXL345是一款由ANALOGDEVICES公司生產(chǎn)3軸加速度計(jì)，功耗低，包分辨率高（13位），測量范圍達(dá)±16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過SPI（3線或4線）或I2C數(shù)字接口訪問。該加速度傳感器電路的應(yīng)用電路如圖6所示。撤展雛紈顆將討躍滿賺。圖6加速度傳感器電路

25、ADXL345非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用。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(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度(張志強(qiáng)，2011)。其高分辨率(3.9mg/LSB),能夠測量不到1.0的傾斜角度變化。具集成式存儲(chǔ)器管理系統(tǒng)采用一個(gè)32級先進(jìn)先出(FIFO)緩沖器，可用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，從而將主機(jī)處理器負(fù)荷降至最低，并降低整體系統(tǒng)功耗。低功耗模式支持基于運(yùn)動(dòng)的智能電源管理，從而以極低的功耗進(jìn)行閾值感測和運(yùn)動(dòng)加速度測量。數(shù)字接口讓加速度傳感器的外圍電路變得很簡單，主控芯片通過IIC即可初始化該芯片并讀取三軸的加速度值。夾喇'曜徽檔驀遷鏤源VDD電源1.9-3.6V輸入GND地RESERVED

26、廠家保留功能VS電源1.9-3.6V輸入CS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(shí)鐘線功能管腳表1ADXL345引腳功能ADXL345的各引腳功能如表1所示。圖6所示為ADXL345的應(yīng)用電路，圖中INT1(Interrupt1)1號中斷線與INT2(Interrupt)2號中斷線與STM32的外部中斷引腳連接,SDA(synchronousDataAdapter)同步數(shù)據(jù)銜接器與SCL(SerialCommunicationLoop)用行通信環(huán)路引腳通過上拉電阻與主控芯片的硬件IIC接口連接，進(jìn)行IIC通訊。當(dāng)INT1或者INT2發(fā)生低電平時(shí)，表

27、明傳感器內(nèi)部數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，此時(shí)可通過IIC接口讀出加速度計(jì)三個(gè)軸的數(shù)據(jù)。視黜饅而詢金童腦鈞在讀取三軸加速度數(shù)據(jù)之前，應(yīng)對ADXL345進(jìn)行必要的初始化。ADL345具有可設(shè)置的多個(gè)量程，即±2g,±4g,±8g,±16g這三個(gè)量程，在此應(yīng)該設(shè)置為±16g滿量程。可采用固定的4mg/LSB分辨率模式，該分辨率可測得0.25。的傾角變化。將轉(zhuǎn)換速率設(shè)置為最小的12.5微秒。將電源模式設(shè)置為低功耗模式，以減小對鋰電池的消耗。使能引腳中斷，單片機(jī)可以通過此外部中斷，觸發(fā)對三軸加速度數(shù)據(jù)的讀取，用中斷觸發(fā)的方式可以較少系統(tǒng)計(jì)算周期，提高電機(jī)有效控制頻率

28、。觸悔攫明繇幅摘黛圖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(yùn)行可以算出傳感器的各類傾斜角，其中，8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(jì)算出。式（1）中，A是各軸輸出的加速度分量。焦彳翎喻麻喬級的喬斷1/),Axout=tan,'.2.2.Ayout十Azout,4.2 陀螺儀傳感器L3G4200D加速度計(jì)主要是用來測量靜態(tài)加速度，而動(dòng)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(dòng)態(tài)的干擾，兩種裝置并用可以在動(dòng)態(tài)條件下實(shí)時(shí)的計(jì)算出自平衡車的傾角信息（馮智勇等，2011）。本方案采用的陀螺儀傳感器型號是L3G42

29、00OL3G4200D是意法半導(dǎo)體（ST）近日推出一款業(yè)界獨(dú)創(chuàng)、采用一個(gè)感應(yīng)結(jié)構(gòu)檢測3條正交軸向運(yùn)動(dòng)的3軸數(shù)字陀螺儀。該3軸數(shù)字陀螺儀讓用戶可以設(shè)定全部量程，量程范圍從d250dpsi2000dps低量程數(shù)值用于高精度慢速運(yùn)動(dòng)測量，而高量程則用于測量超快速的手勢和運(yùn)動(dòng)。這款器件提供一個(gè)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。其應(yīng)用引腳功能如表2所示。雕鶴確名僥張磔陣軫藹。表2L3G4200引腳功能VDD電源1.9-3.6V輸入GND地RESERVED廠家保留功能VS電源1.9-3.6V輸入CS片選信號INT中斷引腳NC懸空SDAIIC數(shù)據(jù)線SCLIIC時(shí)鐘線與加速度傳感器

30、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，采用3.3V供電，其應(yīng)用電路如圖8所示。厲騏鎏農(nóng)殺情獄景則曬。4IPA圖8陀螺儀傳感器電路從圖8可看出L3G4200的應(yīng)用電路比較簡單，不需外接模數(shù)轉(zhuǎn)換器等負(fù)責(zé)的電路，使用極其方便。通過IIC接口即可讀出三軸的角速度，再將讀出的數(shù)據(jù)乘以所設(shè)置的量程對應(yīng)的敏感度，即可得出每個(gè)周的角速度，單位為dps(degreepersecond)鍍鋅過潤啟短涸駱蠲濾。4.3 主控電路本設(shè)計(jì)的兩輪自平衡小車采用STM32F103R8單片機(jī)為主控芯片。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARMCortex

31、-M3內(nèi)核。STM32F103R8具有以下特點(diǎn)：橙貳軻香勤亥檻輜增賽。采用ARM32位Cortex-M3內(nèi)核，最高時(shí)鐘頻率72MHz,1.25DMIPS/MHz,快速的指令執(zhí)行速度使主控芯片能夠運(yùn)行復(fù)雜的濾波和控制算法。提高控制器的實(shí)時(shí)控制能力。片內(nèi)高達(dá)64kBFlash和20kBSRAM,為復(fù)雜的算法程序提供足夠的存儲(chǔ)和運(yùn)行空問。兩個(gè)12位的16通道模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC),轉(zhuǎn)換速度高達(dá)1Msample/s,ADC支持規(guī)則轉(zhuǎn)換序列和注入轉(zhuǎn)換序列兩種轉(zhuǎn)換模式，支持DMA模式，轉(zhuǎn)換結(jié)果的搬運(yùn)不需要CPU干預(yù)，提高程序運(yùn)行效率。通駕賺隆賓唄擷鵡訟湊。主控及其外圍電路如圖9所示圖9主控芯片及其外圍

32、電路圖9中控制電路包括主控芯片、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、模擬電路供電電路。時(shí)鐘采用8MHz外部晶振作為時(shí)鐘源，通過主控芯片內(nèi)部PLL倍頻后使主控芯片運(yùn)行在72MHzo主控芯片為低電平復(fù)位，復(fù)位電路通過阻容電路構(gòu)成上電復(fù)位電路。芯片采用3.3V供電。最小系統(tǒng)還引出了不需要使用的SPI,IIC,UART等接口，方便后續(xù)功能的擴(kuò)張和調(diào)試。峻狹貪畸麻m憫盒莘糖。4.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本設(shè)計(jì)中使用減速直流有刷電機(jī)作為兩輪自平衡車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)采用H橋驅(qū)動(dòng)方式，使用脈寬調(diào)制方式調(diào)節(jié)電機(jī)兩端電壓有效值，達(dá)到調(diào)速的目的70電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖10所示。圖10所示電路只給出了半橋驅(qū)動(dòng)電路，H橋左右兩個(gè)橋臂電路完全相同0

33、該棟諼礁慧油露窿錠。圖10電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本設(shè)計(jì)采用MOSFET作為驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)器件，MOSFET型號為IRFR1205,開啟電壓最大值為Vgs=4.0V,適合電池供電的應(yīng)用；在Vgs=10V時(shí)，Rds=0.027Q低導(dǎo)通電阻一方面提高開關(guān)效率，另一方面降低開關(guān)器件的發(fā)熱量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性（康少華等，2011）。剌妝渾K攫蘋照昌侖廟。由于主控芯片輸出信號高電平電壓值Voh=3.3V,不能直接驅(qū)動(dòng)MOSFET導(dǎo)通，所以電路設(shè)計(jì)了半橋電路，高邊驅(qū)動(dòng)電路由U1、D1和C1組成。膏熊訛嬲枷螃m羅斯。U1使用InternationalRectfier公司的IR2302芯片，該芯片為專用的半橋驅(qū)動(dòng)電路，IR

34、2302支持輸出520V的開啟電壓，支持3.3V、5V和15V邏輯輸入。硬件集成100ns死區(qū)控制電路。,蜴嗔褸悅遮健例！鴨騫。4.5 供電電路本設(shè)計(jì)使用鋰電池供電，供電電壓6.4V,供電電路將電源電壓轉(zhuǎn)換成3.3V供主控芯片和傳感器電路使用。由于電機(jī)的功耗較大，起制動(dòng)時(shí)會(huì)引起電源電壓的波動(dòng)，所以電路設(shè)計(jì)濾波電路穩(wěn)定電壓輸出。供電電路如圖11所示。不酰虛絡(luò)涉鰻物薪予淙C1、L1、C2構(gòu)成冗型濾波器，對輸入電壓進(jìn)行濾波。濾波器截止頻率為f=一=5.5kHz,可以有效濾除來自電源的噪聲。U1為低壓差線性穩(wěn)壓源，將電二JC源轉(zhuǎn)化成3.3V后向傳感器和主控制器供電。隸言匡熒鑒珍綱稿IB臺(tái)賽。5系統(tǒng)軟件

35、設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件總體流程如圖12所示。系統(tǒng)初始化是取出傳感器數(shù)據(jù)傳感器互補(bǔ)濾波器PID調(diào)節(jié)器控制輸出PWML機(jī)控制信號發(fā)送串口數(shù)據(jù)圖12系統(tǒng)軟件總流程圖系統(tǒng)上電復(fù)位后便開始初始化各個(gè)功能模塊，并啟動(dòng)了1ms定時(shí)，每1ms進(jìn)行-次姿態(tài)估算和PID控制，即1s內(nèi)系統(tǒng)進(jìn)行了1000次姿態(tài)調(diào)整。同時(shí)為了前期調(diào)試已經(jīng)查看數(shù)據(jù)，使用了主控的串口將程序中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)如估算出的最終角度等，上傳到電腦,以觀察數(shù)據(jù)的特性，上傳周期為16ms。瀏期濯著捌票橫碗奏。5.1 系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化完成STM32單片機(jī)的初始化設(shè)置，初始化程序流程圖如圖13所示。圖13系統(tǒng)初始化流程圖STM32單片機(jī)支持在RAM和Flash中運(yùn)行

36、，所以程序啟動(dòng)時(shí)必須配置中斷向量表到對應(yīng)的地址，RAM運(yùn)行時(shí)中斷向量表地址為0x20000000;Flash運(yùn)行時(shí)中斷向量表地址為0x08000000。STM32單片機(jī)的中斷優(yōu)先級有搶斷優(yōu)先級和從優(yōu)先級兩種。兩種優(yōu)先級的級數(shù)可以通過軟件設(shè)置。本系統(tǒng)設(shè)置16級搶斷優(yōu)先級，0級從優(yōu)先級。系統(tǒng)使用外部8MHz晶振作為外部時(shí)鐘源，通過STM32內(nèi)部的鎖相環(huán)（PLL）倍頻至72MHz。STM32有兩條外設(shè)時(shí)鐘總線，APB1總線時(shí)鐘頻率最高為36MHz,APB2總線時(shí)頻率最高為72MHz。軟件設(shè)置兩個(gè)外設(shè)時(shí)鐘至其最高頻率，開啟ADC、定時(shí)器、DMA、串口和GPIO的時(shí)鐘源。金陽蜀罰楂筆鶯颼讓粉。本設(shè)計(jì)為了

37、減少調(diào)試信號線對車體的影響，采用SWD調(diào)試模式，此模式下只需要3條線即可進(jìn)行調(diào)試。I/O配置程序禁用JTAG調(diào)試模式，使能SWD調(diào)試模式；另外本設(shè)計(jì)中配置了4個(gè)LED,用于顯示小車當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，引腳配置程序配置LED引腳為推挽輸出模式。愜軌緝蕤紳頑陽灣；1筵。本設(shè)計(jì)中用口用于輸出加速度傳感器、陀螺儀采集到的傾角信號和Kalman濾波器的輸出信號到上位機(jī)。串口配置波特率1152000、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無奇偶檢驗(yàn)位。貞廈給牽®（箍留鹿。定時(shí)器用于產(chǎn)生控制電機(jī)的PWM信號。STM32的1個(gè)定時(shí)器可以同時(shí)產(chǎn)生4路PWM信號。程序設(shè)定PWM信號的頻率為20kHz,3600級占空比輸出。

38、嗜鰭級廚脹解靦毀新。間隔定時(shí)器（Systick）產(chǎn)生8kHz信號用于產(chǎn)生ADC和Kalman采樣頻率。間隔定時(shí)器為一個(gè)24位遞減定時(shí)器，僅有3個(gè)寄存器，使用固件庫僅需一個(gè)語句即可完成配置。薊鎮(zhèn)豎牘受淡醬ft鈴騫。5.2 濾波器單獨(dú)使用加速度計(jì)或者陀螺儀，都無法提供一個(gè)有效而可靠的信息來保證車體的平衡（謝芳等，2010）。陀螺儀動(dòng)態(tài)性能良好，不受加速度變化的影響，但是存在累積漂移誤差，不適合長時(shí)間單獨(dú)工作；加速度計(jì)靜態(tài)效應(yīng)好，但受到動(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)。采用一種簡易互補(bǔ)濾波方法來融合陀螺儀和加速度計(jì)的輸出信號，補(bǔ)償陀螺儀的漂移誤差和加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)誤差，便可以得到一個(gè)最優(yōu)的傾

39、角近似值。該濾波器的實(shí)現(xiàn)算法如圖14所示。齡踐硯語蝸鑄轉(zhuǎn)能露黑Filter互補(bǔ)濾波器算法流程圖圖145.2.1 低通濾波器在使用互補(bǔ)濾波器前，先對加速度的值進(jìn)行低通濾波。加速度的值里包含了一些短時(shí)性快速變化的信號，這些信號對計(jì)算角度有較大的干擾，因此應(yīng)使用低通濾波器將其濾除掉，濾除后的加速度值具有長時(shí)性緩慢變化的平滑效果。紳藪瘡額番牙標(biāo)版at賽。5.2.2 互補(bǔ)濾波器由圖可看出該濾波器的輸入有兩個(gè)數(shù)據(jù)，一是加速度計(jì)測得的角度，二是陀螺儀測得的角速度，兩者經(jīng)過一定的融合運(yùn)算后得出一個(gè)穩(wěn)定可靠的傾角。以下將介紹數(shù)據(jù)的融合過程。首先建立一個(gè)以主控板為基準(zhǔn)的空間坐標(biāo)系，如圖15所示。飪夢獰腐諾金卜誣苧

40、徑凜。圖15傳感器直角坐標(biāo)系R代表電路板的加速度矢量，Rn（n可以是x,y,z）代表R在各個(gè)軸的分量，Ann（A代表角度angle,nn可以是xz,yz,如Axz）代表R與各個(gè)平面的夾角。因此，從加速度計(jì)測出來的RxAcc,RyAcc,RzAcc（acc代表accelerometer）5可合成矢量Race,即Racc=Raccx,Raccy,Raccz。由Racc的分量即可計(jì)算出Axz,Ayz,但如前文討論的，止匕時(shí)的Axz,Ayz并不穩(wěn)定可靠?；蛿罎搕oo然0!賁粵。假設(shè)最后計(jì)算出的加I定可靠的矢量(實(shí)際上是單純的重力加速度矢量)為Rest=RxEst,RyEst,RzEst(Est代表：e

41、stimate)。程序中，第一次計(jì)算Rest直接取值于加速度計(jì)的Race,即：挹豈濤ft躍輪蔚嫄鍵。Rest(=0Racc(0)(2)此后的Rest磔Rest(1),Rest(2),Rest(3)Rest(附陀螺儀參與調(diào)整。在計(jì)算Rest(n)時(shí)，可以通過RxEst(n-l)和RzEst(n-l)計(jì)算出Axz(n-1),即：擷偽氫黜耨解鞫撤龐。Axz(n-1)=atan2(RxEst(n-1),RzEst(n-1)(3)接著由Axz(n-1)和RateAxz(n)可計(jì)算出Axz(n),即：Axz(n)=Axz(n-1)+RateAxz(Tn)(4)其中RateAxz(n)為繞y軸的陀螺儀角速度

42、，T為計(jì)算Axz(n-1)到計(jì)算Axz(n)的時(shí)間差值。同樣道理可得：蹤夢摻釣K綾St發(fā)新。Ayz(n)=Ayz(n-1)+RateAyzTn)(5)再由以下公式可得：RxGyro=sin(Axz(n)/SQRT(1+cos(Axz(n)A2*tan(Ayz(n)A2)(6)同理得：RyGyro=sin(Ayz(n)/SQRT(1+cos(AyR飛加)an(AxNA)n(7)RzGyro=Sign(RzGyro)*SQRT-(R1xGyroRyGyroa2)(8)至U此，計(jì)算出了兩個(gè)單位為1的向量：Racc(n),Rgyro(n),通過一個(gè)加權(quán)平均公式便可得至|JRest(n),即：姬i機(jī)職金

43、蝕騫。Rest(n)=(Racc*w1+Rgyro*w2)/(w1+w2)(9)令w2/w1=wGyro,可得Rest(n)=(Racc+Rgyro*wGyro)/(1+wGyro(10)即：RxEst(n)=(RxAcc+RxGyro*wGyro)/(1+wGyro)(11)RyEst(n)=(RyAcc+RyGyro*wGyro)/(1+wGyro)(12)RzEst(n)=(RzAcc+RzGyro*wGyro)/(1+wGyro)(13)而小車的傾角為:RzEst(n)=(RzAcc+RzGyro*wGyro)/(1+wGyro(14)5.3 PID控制器5.3.1 PID概述PID調(diào)

44、節(jié)器是指按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器，其調(diào)節(jié)實(shí)質(zhì)是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果用于輸出控制。在實(shí)際應(yīng)用中，在多數(shù)情況下，根據(jù)具體情況，可以靈活地改變PID的結(jié)構(gòu)，取其一部分進(jìn)行控制（楊德岡J等，2010）。鬻1摻銀錠試監(jiān)廓磨瀉。u(t):KPe(t)Ki；&t)dtKd哼(15)PID控制器的輸入輸出關(guān)系為：PID控制有模擬和數(shù)字控制方式：模擬方式采用電子電路調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器中，將被測信號與給定值比較，然后把比較出的差值經(jīng)PID電路運(yùn)算后送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變給進(jìn)量，達(dá)到調(diào)節(jié)之目的。數(shù)字方式用計(jì)算機(jī)進(jìn)行PID運(yùn)算，將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬量，輸

45、出去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。傳修執(zhí)號燎揶詹膜。比例控制對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響：Kp增大時(shí)，將使系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，Kp偏大時(shí),系統(tǒng)振蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長；Kp偏小時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)速度緩慢。Kp選擇以輸出響應(yīng)產(chǎn)生4:1衰減過程為宜。在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，加大Kp可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除無急態(tài)誤差0縝雷悵渙靚螭淺蒯犒凜。積分時(shí)間Ti對系統(tǒng)性能的影響：積分控制通常影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Ti太小使，系統(tǒng)不穩(wěn)定，且震蕩次數(shù)較多；Ti太大時(shí)，對系統(tǒng)的影響將削弱；Ti合適時(shí)，系統(tǒng)的過度過程特性比較理性。積分控制有助于消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。驥擅幟澳1mMe絳粵。微分時(shí)間Td對系統(tǒng)性能的影響：微分作用的增強(qiáng)可以改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，如

46、減少超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間等，適當(dāng)加大比例控制，可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度；另一方面微分作用會(huì)放大系統(tǒng)噪聲，降低系統(tǒng)抗干擾能力。微分環(huán)節(jié)的加入可以在誤差出現(xiàn)或變化瞬間，按偏差的變化的趨勢進(jìn)行控制。引進(jìn)一個(gè)早期的修正作用，有助于提高系統(tǒng)正急定,性。sm導(dǎo)騁艷搗磐嬲建。5.3.2 數(shù)字PID算法數(shù)字PID算法為用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，用數(shù)值逼近和連續(xù)信號離散化實(shí)現(xiàn)的PID控制規(guī)律。有兩種實(shí)現(xiàn)方式：位置性數(shù)字PID、增量型數(shù)字PID。鴿奪圓鰥腌翻蹦。對于位置式PID算法，由于te(t)dtTZej,幽定曳二邑位置性數(shù)字PID控制0jJdtT算法如公式(16)所示：一一TkTd.一.5=ee-備)u0(16)

47、TIj=0T對于增量式PID算法，由公式()可知：Tk，TdUk,=KPek白仁匕一一)Uo(17)TIj=oT結(jié)合公式(3-12)和(3-13),可以得到增量式數(shù)字PID控制算法如公式(3-14)所示：(18)Uk=Uk-'Uk1=Kp(ek-ekj)ek'(q-2ek1'e)增量式數(shù)字PID算法不需要做累加運(yùn)算，計(jì)算誤差和計(jì)算精度問題對控制量的計(jì)算影響較?。晃恢眯詳?shù)字PID算法要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累積誤差(王效杰，2006)。欖閾團(tuán)皺鵬焦壽,解陽蘊(yùn)。5.3.3PID控制器設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中使用雙環(huán)PID控制實(shí)現(xiàn)小車的平衡控制。信號流圖如圖16所示。圖16

48、PID控制流圖本設(shè)計(jì)采用雙環(huán)PID控制，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，用于控制電機(jī)輸出，使車輪轉(zhuǎn)速與角度環(huán)輸出值保持一致；外環(huán)為角度環(huán)，用于保持小車傾斜角度為0。圖中U為系統(tǒng)輸入，即小車傾斜角度的目標(biāo)值，該值一直為0oX。為系統(tǒng)角度環(huán)輸出值，即小車電機(jī)轉(zhuǎn)速目標(biāo)值。Xi為輪子轉(zhuǎn)速，Y為小車實(shí)際的傾斜角度。Z為系統(tǒng)擾動(dòng)輸入由于本設(shè)計(jì)采用鋰電池供電，電源的輸出功率有限，而且調(diào)整小車傾角時(shí)電機(jī)需要頻繁起制動(dòng)，對電源功率要求較高，會(huì)引起電源較大幅度的擾動(dòng)，所以在本系統(tǒng)中主要的擾動(dòng)為電源電壓的擾動(dòng)。內(nèi)環(huán)PID控制器控制流圖如圖17所示。遜輸吳貝義鯽醐!猶瞅6硬件電路丫*6.1 硬件制作與調(diào)試首先通過AltiumDesig

49、ner畫圖軟件設(shè)計(jì)出電路PCB,然后發(fā)去PCB制造產(chǎn)打樣，得到PCB空板。從元器件市場購買所需零器件，將其焊接于打樣所得的PCB空板上。接著分別測試電源電路，主控芯片最系統(tǒng)，傳感器模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是否能正常工作。至此，硬件調(diào)試完成。帽覘匱駭ft紅鹵齡鐮流6.2 硬件調(diào)試結(jié)果6.2.1 姿態(tài)感知系統(tǒng)測試結(jié)果為了方便測試，將傳感器數(shù)據(jù)通過串口輸出到電腦，用用口波形軟件將數(shù)據(jù)以波形的形式在電腦顯示器上顯示。如圖18是由加速度計(jì)測出來的未經(jīng)過濾波處理的角度波形圖0言甬終決慎區(qū)耿俑側(cè)杲陵。度角圖18未經(jīng)過濾波的傾角值波形從圖18中看出，在第7秒之前靜放系統(tǒng)，此時(shí)測出來的傾角為0。，波形基本穩(wěn)定不變，但在7秒后人為搖動(dòng)電路板，其波形開始發(fā)生劇烈的變化。此波形說明了僅由加速度計(jì)計(jì)算出來的傾角存在太多干擾，沒法使用。因此，需要