大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目中期進展報告

1、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目中期進展報告（3000字，小四宋體）項目成員：高超、孫健、虎強、陳偉、張波指導教師：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構和便于讓團隊個成員加入自己的創(chuàng)意，我們初步設計了車體的機械結構，并用Solidworks建模。二、項目進展：項目目前進度：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，其中包括3月-

2、5月完成主控芯片程序設計；6月-7月電路設計；7月-8月搭建車車模對電路，程序進行測試；可以說比我們當年預期的進度提前了。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，2600mah的鋰電池，L7805穩(wěn)壓芯片，BTN7971B電機驅(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。具體設計方案如下：1、車模的平衡控制原理：當車體垂直時，車輪保持靜止，車體向左傾斜時，車輪向左加速運行，車體向右傾斜時，車輪向右加速運行。直立的車?？梢钥闯墒欠胖迷诳梢宰笥乙苿悠脚_上的倒立擺的單擺。普通單擺能夠穩(wěn)定在垂

3、直位置的條件有兩個：（1）受到與位移（角度）相反的恢復力；（2）受到與運動速度（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。阻尼力過小（欠阻尼）會使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，需要增加額外的受力，使得恢復力與位移方向相反才

4、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=k1G+k2O;式中0為車模傾角，G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加速度的控制實現(xiàn)車模平衡穩(wěn)定。電機的運動控制是通過改變施加在其上的驅(qū)動電壓大小實現(xiàn)的。電機的運動分為兩個階段，第一個是加速階段，第二個

5、是恒速階段。在加速階段，電機帶動車模進行加速運動，加速度和施加在電機上的電壓成正比。在恒速階段，電機帶動車模后輪進行恒速運動，運行速度與施加在電機上的電壓成正比。調(diào)整車模角度的控制周期很短，時間一般是幾個毫秒，此時電機基本運動在家階段，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。當車模發(fā)生傾斜=時，重力加速度g便會

6、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送的影響。角速度傳感器利用旋轉坐標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，這可進一步平滑信號，從而使得角度信號更加穩(wěn)定。因此車?？刂扑枰慕嵌群徒撬俣瓤梢允褂猛勇輧x所得到的信號。但是由于從

7、陀螺儀角速度獲得角度信息，需要經(jīng)過積分運算。如果角速度信號存在微小的偏差和漂移，經(jīng)過積分運算之后，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構和自己的創(chuàng)意，這只是機械機構的初步模型，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，電機與車輪一體

8、，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。當不使用車時，把手可以向車座旋轉，便于放置和搬運，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

9、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果，電路和傳感器各方面的配合也會更加實體車的結果，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一步的細節(jié)設計，這個我估計需要兩個月來完成，因為技術難度比較大。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：項目目前進度、已經(jīng)取得成果、預期完成情況、存在的問題、后期計劃等。）三、主要參考文獻（5個以內(nèi)）機械設計基礎王新華主編-化學工業(yè)出版社嵌入式原理與實踐-ARMCoretex-M4Kinetis微控制器王宜懷，吳瑾，蔣銀珍編著-電子工業(yè)出版社電子設計從零開始（第二版）楊欣，萊諾克斯，王玉