基于ARM的兩輪自平衡車模型系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計

課程設(shè)計說明書學生姓:

學號學專題

院:業(yè):目

基于兩輪自平衡車模型系統(tǒng)設(shè)計

摘

要近年來，兩輪自平衡車的研究與應(yīng)用獲得了迅猛發(fā)展。本文提出了一種兩輪自平衡小車的設(shè)計方案采用陀螺儀L3G4200以及M速度傳感器MMA7260構(gòu)成小車姿態(tài)檢測裝置，使用卡爾曼濾波完成陀螺儀數(shù)據(jù)與加速度計數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)融合。系統(tǒng)選用飛思卡爾32位單片機KinetisK60為控制核心，通過濾波算法實現(xiàn)車身控制，人機交互等。整個系統(tǒng)制作完成后，各個模塊能夠正常并協(xié)調(diào)工作，小車可以在無人干預(yù)條件下實現(xiàn)自主平衡。同時在引入適量干擾情況下小車能夠自主調(diào)整并迅速恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。關(guān)鍵詞輪自平衡陀螺儀

姿態(tài)檢測

卡爾曼濾波

數(shù)據(jù)融合

目

錄課設(shè)目

.................................................................................................................1設(shè)內(nèi)和求

............................................................................................................2.12.22.3

設(shè)計要..........................................................................................................................研究意..........................................................................................................................研究內(nèi)..........................................................................................................................設(shè)方及現(xiàn)況

...................................................................................................23.13.23.33.43.5

兩輪平車的平衡原..................................................................................................2系統(tǒng)方設(shè)計..................................................................................................................系統(tǒng)最方案..................................................................................................................系統(tǒng)軟設(shè)計..................................................................................................................電路調(diào)........................................................................................................................課設(shè)總

...............................................................................................................18參考文獻

........................................................................................................................附致

錄謝

................................................................................................................................................................................................................................................

課設(shè)目（1）掌握嵌入式系統(tǒng)的一般設(shè)計方法和設(shè)計流程；（2）學習嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，掌握相關(guān)開發(fā)環(huán)境的使用方法；（3）掌ARM應(yīng)用；（4）學習掌握嵌入式系設(shè)計的全過程；設(shè)內(nèi)和求2.1

設(shè)計要（1）學習掌握基于Cortex-M4內(nèi)核的KinetisK60系列單片機的工作原理及應(yīng)用；（2）學習掌握加速度計、陀螺儀的工作原理及應(yīng)用；（3）設(shè)計基于制的兩輪自平衡車模型系統(tǒng)的工作原理圖及PCB版圖；2.2

研究意近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展與進步，移動機器人的研究不斷深入，成為目前科學研究最活躍的領(lǐng)域之一，移動機器人的應(yīng)用范圍越來越廣泛，面臨的環(huán)境和任務(wù)也越來越復(fù)雜，這就要求移動機器人必須能夠適應(yīng)一些復(fù)雜的環(huán)境和任務(wù)。比如，戶外移動機器人需要在凹凸不平的地面上行走，有時環(huán)境中能夠允許機器人運行的地方比較狹窄等如何解決機器人在這些環(huán)境中運行的問題逐漸成為研究者關(guān)心的問題[。兩輪自平衡機器人的概念正是在這樣一個背景下提出來的，這種機器人區(qū)別于其他移動機器人的最顯著的特點是采用了兩輪共軸各自獨立驅(qū)動的工作方式(這種驅(qū)動方式又被稱為差分式驅(qū)動方式)車身的重心位于車輪軸的上方通過輪子的前后移動來保持車身的平衡，并且還能夠在直立平衡的情況下行駛。由于特殊的結(jié)構(gòu)，其適應(yīng)地形變化能力強，運動靈活，可以勝任一些復(fù)雜環(huán)境里的工作。兩輪自平衡機器人自面世以來，一直受到世界各國機器人愛好者和研究者的關(guān)注，這不僅是因為兩輪自平衡機器人具有獨特的外形和結(jié)構(gòu)，更重要的是因為其自身的本質(zhì)不穩(wěn)定性和非線性使它成為很好的驗證控制理論和控制方法的平臺，具有很高的研究價值。

[4][4]2.3

研究內(nèi)本課題設(shè)計了一款兩輪自平衡小車，研究了車身姿態(tài)檢測中陀螺儀與加速度傳感器的互補特性，并根據(jù)其特性比較并設(shè)計濾波算法，包括卡爾曼濾波等常用濾波算法。制算法的實現(xiàn)以及直流電機調(diào)速的研究。具體包括：(1)機器人本體設(shè)計：包括機械，重心調(diào)整，電氣系統(tǒng)設(shè)計等，為進一步研究提供良好的平臺；(2)信號調(diào)理及控制部分電路設(shè)計：陀螺儀輸出信號需要經(jīng)過進一步濾波放大，因此需要設(shè)計信號調(diào)理電路，同時控制核心需要構(gòu)建相關(guān)輸入輸出模塊及人際交互設(shè)備，因此需要對主控單元電路進行設(shè)計。同時還需要設(shè)計直流電機驅(qū)動電路。(3)基于卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)融合：由于陀螺儀測量的角速度只在短時間內(nèi)穩(wěn)定而加速度傳感器的自身白噪聲很嚴重，因此根據(jù)其互補特性設(shè)計卡爾曼濾波器以得到準確穩(wěn)定的角度和角速度。(4)控制算法包括兩路閉環(huán)控制小車的傾角閉環(huán)控制以及直流電機的閉環(huán)速度控制。3.1

設(shè)方及現(xiàn)況兩輪平車的平衡原控制小車平衡的直觀經(jīng)驗來自人類日常生活經(jīng)驗。如人類身體擁有豐富的感知器官，通過大腦調(diào)節(jié)便可以控制腰部及腿部肌肉保持人體的直立。而一般人通過簡單訓練就可以讓一根直木棍在手指尖保持直立不倒。這需要兩個條件：一個是托著木棍的手指可以自由移動另一個是人的眼睛可以觀察木棍的傾斜角度與傾斜趨勢角速度)這兩個條件缺一不可，實際上這就是控制系統(tǒng)中的負反饋機制，如圖所示。圖1保木棍直立的反饋控制系統(tǒng)自平衡車的控制也是通過負反饋來實現(xiàn)的，與在指尖保持木棍直立比較則相對簡單。由于小車只依靠兩個車輪著地，車輪與地面會發(fā)生相對滾動使得小車傾斜。而小車上裝載

的姿態(tài)檢測系統(tǒng)能夠?qū)π≤嚨膬A斜狀況進行實時檢測，通過控制器控制車輪轉(zhuǎn)動，抵消在這個維度上的傾斜力矩便可以保持小車平衡，如圖所示。圖過車輪轉(zhuǎn)動保持小車平衡3.2

系統(tǒng)方設(shè)計主控芯片方案方案一：采用ATMEL公司的AVR單機AVR單片機硬件結(jié)構(gòu)采取8機與16位機的折中策略，即采用局部寄存器存?zhèn)€寄存器文件)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，增強了功能。其中的一款單片機型號為有64引腳，最高可達到主頻，，UARTSPI接口都比較豐富，但價格高。方案二：采用宏晶科技有限公司的增強型51單片機作為主控芯片。此芯片內(nèi)置ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換)和IIC總線接口，且內(nèi)部時鐘不分頻，可達到1MPS。價比低?？紤]到此系統(tǒng)的復(fù)雜度需要與傳感器進行通訊，輸出靈活可控制PWM信號，以及進行大量的數(shù)學運算從性能和價格上綜合考慮選擇方案一即用KinetisK60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K60N512VM100。方案三：采用freescale司KinetisK60系列單片機作為主控芯片。KinetisK60系列單片機,作電壓存的寫電壓為采用ARM核,性能可達該系列提供高達180MHz性能和太網(wǎng)MAC，

[4][4][4][4]用于工業(yè)自動化環(huán)境中的精確的時的時間控制件加密支持多個算法最小的CPU負載提供快速安全的數(shù)據(jù)傳輸和存儲系統(tǒng)安全模塊包括安全密鑰存儲和硬件篡改檢測，提供用于電壓、頻率、溫度和外部傳感（用于物理攻擊檢測）的傳感器[。姿態(tài)檢測傳感器方案本系統(tǒng)采用的加速度計是三軸加速度計MMA7260該加速度傳感器是一種低g值的傳感器，輸出信號很大，不需要再進行放大。通過和腳選擇敏度，本系統(tǒng)設(shè)置其靈敏度為800mv/g。電路如圖所示。圖加度計MMA7260口電路圖本方案采用的陀螺儀傳感器為L3G4200。L3G4200D是意法半導體(近日推出一款業(yè)界獨創(chuàng)、采用一個感應(yīng)結(jié)構(gòu)檢測3條正交軸向運動的軸數(shù)字陀螺儀。該3數(shù)字陀螺儀讓用戶可以設(shè)定全部量程量程范圍從dps～dps低量程數(shù)值用于高精度慢速運動測量而高量程則用于測量超快速的手勢和運動這款器件提供一個位數(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)字功能與加速度傳感器的數(shù)字接口致，也是通過用SDA與主控芯片的硬件IIC接進行通訊，采用3.3V電，其應(yīng)用電路如圖4示。

圖陀儀感器電路電機選擇方案方案一：直流無刷電機。直流無刷電機具有直流有刷電機機械特性好、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點，而且無刷電機沒有換向器和電刷，可靠性高，壽命長。但是無刷電機的驅(qū)動電路復(fù)雜，而且在本設(shè)計中小車為實驗性質(zhì)，車身較小，市面上很難找到大小合適的直流無刷電機。方案二：步進電機。步進電機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；步進電機有較大的輸出轉(zhuǎn)矩；有優(yōu)秀的起制動性能；控制精度較高，誤差不會累積。但是步進電機步距角固定，分辨率缺乏靈活性，而且步進驅(qū)動時容易造成車體震蕩，不利于小車的穩(wěn)定。步進電機雖然可以使用細分驅(qū)動方式克服上述缺點，但是細分驅(qū)動電路結(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。方案三直流電機直流有刷電機具有機械特性硬響應(yīng)速度快調(diào)速范圍寬的特點，滿足兩輪自平衡小車對靈敏性、快速性等要求，雖然電機的電刷會是電機的壽命縮短，還會引發(fā)電磁干擾。但是由于本設(shè)計負載較輕，換向器和電刷的損耗較低。小車采用多層機械結(jié)構(gòu)，電機驅(qū)動電路與其他電路分離，有效降低電磁干擾[。綜上所述，本設(shè)計使用兩個7.2V的直流有刷電機驅(qū)動兩輪自平衡小車模型。

3.3

系統(tǒng)最方案使用K60為主控芯片，通過IIC接口讀取陀螺儀傳感器和加速度傳感器的數(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輸出電機控制信號，由電機驅(qū)動完成對電機的控制。此系統(tǒng)方框圖如圖所示。加速度傳感器

電機驅(qū)動K60主芯片

編碼器電路陀螺儀

狀態(tài)顯示圖系統(tǒng)方圖主控電路本設(shè)計的兩輪自平衡小車采用片機為主控芯片k60是基于ARMCortex-M4具有超強可擴展性的低功耗混合信號微控制器主控及其外圍電路如圖6示圖主芯

[3][8][3][8]K60N512VM100芯片電源類引腳封裝個LQFP封裝27中BGA封裝的芯片有五個引腳未使用（A10、B10、M5和）。芯片使用多組電源引腳分別為內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器、引腳驅(qū)動、A/D轉(zhuǎn)換電路等電路供電，內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器為內(nèi)核和振蕩器等供電為了電源穩(wěn)定MCU內(nèi)部包含多組電源電路同時給出多處電源引出腳，便于外接濾波電容。為了電源平衡MCU提供了內(nèi)部相連的地的多處引出腳，供電路設(shè)計使用[

。系列M具有I以太網(wǎng)全速和高速UOTG硬件解碼能力和干預(yù)發(fā)現(xiàn)能力。芯片從帶有的100腳的LQFP封裝到的腳的M封裝，具有豐富的電路、通信、定時器和控制外圍電路。高容量的K60系列帶有一個可選擇的單精度浮點處理單元、NAND控制單元和DRAM控制器。這是一款非常穩(wěn)定且有潛力的ARM控制系列的微控制器。電機驅(qū)動電路本設(shè)計中使用直流有刷電機作為兩輪自平衡車的驅(qū)動電機，電機采用橋驅(qū)動方式，使用脈寬調(diào)制方式調(diào)節(jié)電機兩端電壓有效值，達到調(diào)速的目的。電機驅(qū)動電路采用4片BTS7970搭載成兩個橋來驅(qū)動平衡車的兩個電機，具有輸出功率大，穩(wěn)定性好，保護措施好等優(yōu)點。一個H電機驅(qū)動電路如圖所示。圖電驅(qū)電路編碼器電路為了使用閉環(huán)控制們在模型上附加了編碼器元件相比用編碼器可以使電路更加完善，信號更加精確。編碼器功耗低，重量輕，抗沖擊抗震動，精度高，壽命長，非常

[3][3]實用自身具有正交解碼功能這里無需使用任何外圍計數(shù)輔助器件接口連接到單片機上相應(yīng)的接口即，接口如圖所示。圖編器接口部分電路供電電路可靠的電源方案是整個硬件電路穩(wěn)定可靠運行的基礎(chǔ)。電源模塊由若干相互獨立的穩(wěn)壓電路模塊組成。這樣做可以減少各模塊之間的相互干擾，另外為了進一步減小單片機的5V電源噪聲，可以單獨使用一個的穩(wěn)壓芯片，與其它接口電路分開3電源：

[7]

。整個系統(tǒng)需要(1)7.2V電源，為驅(qū)動電機供電。(2)5V源，為編碼器及相關(guān)外設(shè)供電。(3)3.3V電源，為單片機、陀螺儀及加速度計供電。整個系統(tǒng)電源來源為7.2V鎳氫電池，5V源由提供。是一種線性低壓差三端穩(wěn)壓器件，其輸出紋波較小，適合單片機供電。3.3V電源采用LM1117電機供電直接采用電池供電如下圖所示。圖5V電模塊

圖103.3V電模塊3.4

系統(tǒng)軟設(shè)計編譯環(huán)境概述嵌入式軟件開發(fā)有別于桌面軟件開發(fā)的一個顯著的特點，是它一般需要一個交叉編譯和調(diào)試環(huán)境，即編輯和編譯軟件在通常的機上進行，而編譯好的軟件需要通過寫入工具下載到目標機上執(zhí)行，如MK60N512VMD100的目標機上。在開發(fā)過程中我們使用IARSystems司的IARWorkbenchfor集成開發(fā)環(huán)IAR環(huán)境）J-Link-ARM-V8仿真器。Embeddedfor是Systems公司為ARM處理器開發(fā)的一個集成開發(fā)環(huán)境較其他的開發(fā)環(huán)境IAR具有入門容易、使用方便和代碼緊湊等特點

[。IAR包含一個全軟件的模擬程序(simulator)不需要任何硬件支持就可以模擬各種ARM核、外部設(shè)備甚至中斷的軟件運行環(huán)境。從中可以了解和評估功能和使用方法。調(diào)試界面如圖所示：

圖IAR界示意圖系統(tǒng)軟件總體流程系統(tǒng)軟件總體流程如圖所示。否

開始系統(tǒng)初始化定時1是取出傳感器數(shù)據(jù)傳感器互補濾波器PID調(diào)器控制輸出PWM電控信號否定時1是發(fā)送串口數(shù)據(jù)圖12系軟件總流程圖

系統(tǒng)上電復(fù)位后便開始初始化各個功能模塊并啟動了時每1ms進行一次姿態(tài)估算和制，即內(nèi)系統(tǒng)進行了1000姿態(tài)調(diào)整。同時為了前期調(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。系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化完成KinetisK60單片機的初始化設(shè)置，初始化程序流程圖如圖所示。開始上電復(fù)位中斷系統(tǒng)初始化時鐘系統(tǒng)初始化I/O腳配置IIC口配置串口配置間隔定時器配置返回圖13系初始化流程圖控制器當今的自動控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。測量系統(tǒng)需要控制的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)在工程實際中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制簡稱PID控制，又稱節(jié)。PID制器問世至今已有近年歷史，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[。制器由比例單元（P）、積分單元（）和微分單元（D）組成。其輸入(t）與輸出u）的關(guān)系為：

DlDl

T

t

tt

式其為比例系數(shù)T為積分時間常數(shù)T為微分時間常數(shù)。D制器具有原理簡單、使用方便、適應(yīng)性強、魯棒性強、對模型依賴少等特點，因此使用制器實現(xiàn)兩輪自平衡車的控制是完全可行的。由小車靜止時其運動方程可得到系統(tǒng)輸入輸出傳遞函數(shù)：HsX

s

1

gl

式此時系統(tǒng)具有兩個極點：s。其中一個極點位于s面的右半平面。根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)可知系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此小車在靜止狀態(tài)不能保持平衡[。由小車受力分析可知小車平衡的條件是提供額外的回復(fù)力及阻尼，其來源為車輪與地面的摩擦力由式2知車輪提供的加速度的大小是根據(jù)角及角速出，因此需要在控制系統(tǒng)中引入角

及角速

構(gòu)成比例(P)微分D)反饋環(huán)節(jié)14所示。圖14加比例微分環(huán)節(jié)后的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖加入比例微分反饋后的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：sXs

s

k2s1ll

式此時，系統(tǒng)的兩個極點為

p

2l2212l

。根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)可知，系統(tǒng)穩(wěn)定需要兩個極點都位于平面的左半平面。要滿足這一點，需要

>0。由此

ωω可得出結(jié)論，k>g,k>0，小車可以保持平衡，這也與上文中小車受力分析的結(jié)果相2符。在反饋環(huán)節(jié)中，與角度成比例的控制量稱為比例控制；與角速度成比例的控制量稱為微分控（角速度是角度的微分因此上面系數(shù)

，

2

分別稱為比例和微分控制參數(shù)。其中微分參數(shù)相當于阻尼力，可以有效抑制自平衡車振蕩?？刂葡到y(tǒng)的輸出量為電機控制量小車平衡控制控制器的輸出方程可寫為：OUT_Motor=Kp*Angle+Kd*Angle_dot(式式4，OUT_MotorPID控制輸出量，Angle為饋傾角值，Angle_dot為反饋角速度值，Kp和Kd分別為比例系數(shù)及微分系數(shù)。濾波器單獨使用加速度計或者陀螺儀，都無法提供一個有效而可靠的信息來保證車體的平衡。采用一種簡易互補濾波方法來融合陀螺儀和加速度計的輸出信號，補償陀螺儀的漂移誤差和加速度計的動態(tài)誤差，便可以得到一個最優(yōu)的傾角近似值。該濾波器的實現(xiàn)算法如圖15示。RateSensor

+

RawAngle

+

StabilizedAngles-Kа

GravityAngle

ErrorAngleAccelerometer

Low-PassFilter圖互濾波器算法程圖在使用互補濾波器前，先對加速度的值進行低通濾波。加速度的值里包含了一些短時性快速變化的信號，這些信號對計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性緩慢變化的平滑效果。由圖可看出該濾波器的輸入有兩個數(shù)據(jù)，一是加速度計測得的角度，二是陀螺儀測得的角速度，兩者經(jīng)過一定的融合運算后得出一個穩(wěn)定可靠的傾角。以下將介紹數(shù)據(jù)的融合過程。首先建立一個以主控板為基準的空間坐標系，如圖16示。

ZRz

RxzAxzRyzAxzX

R

RxRyY圖16傳器直角坐標系R代表電路板的加速度矢量可以是xy表在各個軸的分量Ann(A代表角度，nn可以是xzyz，Axz)代表各個平面的夾角。因此，從加速度計測出來的代表便可合成矢量RaccRacc=[Raccx，。由Racc的分量即可計算出，，但如前文討論的，此時的Ayz不穩(wěn)定可靠。假設(shè)最后計算出的穩(wěn)定可靠的矢量

(際上是單純的重力加速度矢量

)=[RxEst,RyEst,RzEst](Est代表。程序中，第一次計直接取值于加速度計的Racc，即：st)ac0)

式此后的Rest(如Rest(1),Rest(2),Rest(3)。在計算時，可以通過RxEst(n-1)和RzEst(n-1)計算出Axz(n-1),即：Axz(n-1)=RxEst(n-1),RzEst(n-1)接著由Axz(n-1)計算出Axz(n)，即：Axz(n)Axz(ntAxn)

式式其中繞y的陀螺儀角速度，T為計算Axz(n-1)到算Axz(n)的時間差值。同樣道理可得：Ayz(n)=Ayz(nteAy)

式

再由以下公式可得：RxGyro=sin(Axz(n))/(1+cos(Axz(n))^2*tan(Ayz(n))^2)同理得：RyGyro=/SQRT+os(Ayn)n(An=Sign(RzGyro)*SQTxy-Gyro^2)

式式式到此，計算出了兩個單位為1的向量：Rgyro(n)，通過一個加權(quán)平均公式便可得到，即：Rest(n)=(Racc*w1+Rgyro*)/(w1+w2)令=，可得Rest(n)=(Racc+Rgyro*wGyro)(1+wG即：RxEst(n)=(RxAcc+RxGyro*wGyro)/+wGyro)RyEst(n)=(RyAccRyGyro*wGyro)/(1+wGyro)RzEst(n)=(RzAcc+RzGyro*wGyro/(1+而小車的傾角為：RzEst(n)=(RzAcc+RzGyro*wGyro/(1+wGyro

式式式式式式3.5

電路調(diào)加速度計測試結(jié)果理論上只需要加速度就可以獲得車模的傾角，再對此信號進行微分便可以獲得傾角速度。但在實際車模運行過程中，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，它疊加在上述測量信號上使得輸出信號無法準確反映車模的傾角，如圖所示。

圖17車動引起的加速度信號波動下圖是實際測量安裝在車模上MMA7260的Z軸信號傾角在兩個角度位置過渡，看到除了角度變化信號之外，還存在由于運動引起的電壓波動，這個電壓波動隨著車模運動速度增加會變得很大。圖18實際測量加速度計Z軸號陀螺儀測試結(jié)果在車模上安裝陀螺儀，可以測量車模傾斜角速度，將角速度信號進行積分便可以得到車模的傾角，如圖19所示。由于陀螺儀輸出的是車模的角速度，不會受到車體運動的影響，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。因此車模控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺儀所得到的信號。

圖19角度積分得到角度由于從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，如圖20示。圖20角度積分漂移現(xiàn)象消除上述誤差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，從而積分的角度逐步跟蹤到加速度傳感器所得到的角度，如圖21所。圖通過重力加速度來矯正陀螺儀的角度移

課設(shè)總本設(shè)計主要研究兩輪自平衡小車的設(shè)計與實現(xiàn)。通過相應(yīng)硬件與軟件的設(shè)計，實現(xiàn)了兩輪自平衡小車的動態(tài)平衡與運動控制。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)以飛思卡爾公32位單片機K60為控制核心，采用壓電陀螺儀L3G4200及M速度計M構(gòu)成了慣性姿態(tài)檢測系統(tǒng)通過H橋電機驅(qū)動及旋轉(zhuǎn)編碼器實現(xiàn)了直流電機的閉環(huán)調(diào)速，最終實現(xiàn)了兩輪自平衡車的姿態(tài)檢測與平衡控制。系統(tǒng)軟件設(shè)計上比較了各類濾波器優(yōu)缺點，結(jié)合本系統(tǒng)硬件構(gòu)架設(shè)計了以卡爾曼濾波器為核心的數(shù)據(jù)融合算法。通過卡爾曼濾波器將陀螺儀與加速度計的輸出融合為準確的傾角與角速度輸出，為系統(tǒng)的控制提供了有力保障。本設(shè)計的控制策略采控制算法。通過對小車的運動建模，構(gòu)建了小車運動控制的D控制算法，并對PID參數(shù)進行了整定。本設(shè)計最終實現(xiàn)了兩輪自平衡小車的平衡控制及運動控制。由于時間及個人能力原因，本設(shè)計完成的兩輪自平衡小車只是一種簡單的模型。本設(shè)計還有以下方面可以繼續(xù)研究和提高：(1)采用大型車架及驅(qū)動電機，設(shè)計出可以載人的兩輪自平衡小車。(2)研究機械機構(gòu)對兩輪自平衡車的控制的影響。(3)采用高規(guī)格陀螺儀及加速度計，提高系統(tǒng)姿態(tài)檢測精度。(4)使用速度更快的控制器，如等，提高系統(tǒng)控制速度。(5)研究并應(yīng)用先進數(shù)據(jù)融合算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。(6)采用先進控制算法LQR最優(yōu)控制模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等提高控制系統(tǒng)性能。

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附

錄整體電路：

致

謝感謝我的指導老師李錦明李老師平時工作繁忙但在我課程的每個階段他都悉心指導他對待工作的認真態(tài)度對待科學的嚴謹作風對待他人的寬容善良為我今后的工作、學習和生活樹立了榜樣。其次我要感謝孟老師在畢業(yè)設(shè)計及平時的學習中遇到困難時孟老師總是耐心和我們探討問題幫助我們解決問題同時在學習和生活上關(guān)心我們，當我們遇到挫折時，總是鼓舞我們，給我們信心和幫助。在這課程設(shè)計中我深深的感受到了同學和朋友們的關(guān)懷和幫助也因為他們使我度過了美好的大學生活望我們每一位同學都能取得一個好成績。

畢業(yè)設(shè)計論文）原創(chuàng)聲明和使用授說明原創(chuàng)性聲盡我所知除文中特別加包

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