平衡車軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)-定稿

北京理工大學(xué)珠海學(xué)院2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)基于KEA128的電磁感應(yīng)平衡車軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要近十年來，一種特殊的運(yùn)動工具逐漸得到重視和多領(lǐng)域的應(yīng)用，即兩輪自平衡車。兩輪平衡車以電能為動力，結(jié)構(gòu)輕盈小巧，能耗低效率高，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的汽油運(yùn)輸工具，減小環(huán)境污染。同時，相較于普通汽車，兩輪平衡車無剎車系統(tǒng)和特殊的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，平衡車只需改變系統(tǒng)的重心和兩輪速度差就能實(shí)現(xiàn)剎車和轉(zhuǎn)向功能。兩輪平衡車系統(tǒng)有著非線性，強(qiáng)耦合不穩(wěn)定的特點(diǎn)，眾多國內(nèi)外研究人員都以此模型來研究控制策略。通過近幾年的研究，已經(jīng)出現(xiàn)了各種性能優(yōu)秀的控制算法；本文設(shè)計(jì)了一種基于KEA128芯片的兩輪平衡車系統(tǒng)，所需的外設(shè)包括了MMA7361CL加速度計(jì)，ENC-3MB+LPR550陀螺儀，10mH電磁線圈和歐姆龍兩相編碼器；編碼器用于獲取小車車速以實(shí)現(xiàn)小車電機(jī)的閉環(huán)控制，加速度計(jì)和陀螺儀用于融合小車姿態(tài)角，利用電磁線圈檢測道路磁場變化信息。本設(shè)計(jì)在直立平衡控制用到了清華的濾波方案融合小車實(shí)時的姿態(tài)角，同時在小車直立，調(diào)速和巡線的控制上使用了PID控制算法，以完善小車的動態(tài)性能關(guān)鍵詞：KEA128；兩輪平衡；軟件設(shè)計(jì)；磁場檢測；加速度計(jì)；陀螺儀；姿態(tài)角融合；Design of electromagneticinductionbalancingvehiclesoftwaresystembasedonKEA128AbstractInthepastdecade,aspecialautohasbeenpaidmoreandmoreattentionandappliedinmanyfields,two-wheeledself-balancingvehicle.Thetwo-wheeledself-balancingvehicleispoweredbyelectricenergy,withlightandcompactmechanicalstructureandhighenergyconsumptionefficiency.Itcandecreaseenvironmentalpollutionandtaketheplaceofthetraditionalgasolineautomations.Meanwhile,comparedwithordinaryautomations,thetwo-wheeledself-balancingvehiclehasnobrakesystemandspecialsteeringmechanism.Thetwo-wheeledself-balancingvehicleonlyneedstochangethecenterofgravityofthesystemandthedifferenceofthespeedbetweenthetwowheelstoachievethebrakeandsteeringfunctions.Thetwo-wheeledbalancingvehiclesystemistypicalofnonlinearityandstrongcouplinginstability.Manyresearchersusethismodeltodevelopthecontrolstrategy.Throughtheresearchtheresearchofmanyscholarsinrecentyears,therehavebeenvariousexcellentcontrolalgorithmsinrelatedfields.thispaperdesignsatwo-wheeledbalancingvehiclesystembasedonachipcalledKEA128,therequiredperipheralsincludeaccelerometers,gyroscopes,electromagneticcoilsandencoders.Accelerometersandgyroscopesareusedtofigureoutthemechanicalangleofthevehicle,theelectromagneticcoilsdetecttheroadinformation,andtheencodersareusedtoobtainthevehiclespeedinordertocompletetheclosed-loopcontrolofthetrolleymotor.ThefilterschemeofTsinghuaUniversityisusedintheverticalbalancecontroltointegratethereal-timeangleofthevertical,andPIDcontrolalgorithmisusedinthevertical,speedregulationandlinepatrolcontrolofthecarinordertoimprovethedynamicperformanceofthesystem.Keywords:KEA128;two-wheeledofbalance;softwaredesign;Magneticfielddetection;Accelerometer;gyroscope;目錄第1章緒論 71.1本設(shè)計(jì)的目的、意義及應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求 71.2本設(shè)計(jì)在國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題 71.3本設(shè)計(jì)應(yīng)解決的主要問題 81.4總設(shè)計(jì)方案 8第2章兩輪平衡車受力分析及平衡條件 102.1兩輪平衡車入門之倒立擺模型 102.1.1經(jīng)典倒立擺模型原理 102.2兩輪平衡車模型 112.2.1兩輪車平衡車受力分析及平衡條件 112.2.2兩輪平衡車的調(diào)速及轉(zhuǎn)向原理 12第3章兩輪車平衡車各部件準(zhǔn)備 133.1主控設(shè)計(jì) 133.2角度測量系統(tǒng) 143.3電感反饋系統(tǒng) 153.4電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng) 173.5用戶交互界面 17第4章兩輪平衡車的軟件設(shè)計(jì) 184.1兩輪車的直立控制 184.1.1車身姿態(tài)角的融合 184.1.2小車PD控制器實(shí)現(xiàn)直立平衡 184.2兩輪車的速度閉環(huán)控制 184.3兩輪車的轉(zhuǎn)向環(huán)控制 184.4兩輪車整體性能的調(diào)試 184.4.1PID控制器參數(shù)的整定 18第5章總結(jié) 18參考文獻(xiàn) 19謝辭 21附錄 22第1章緒論兩輪平衡車作為一種特殊車型的移動機(jī)器，在近幾年的發(fā)展中應(yīng)用已愈加廣泛。特別是在地形復(fù)雜的地形中，兩輪平衡車能夠憑借其獨(dú)特的靈活性和自適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)四輪車完成作業(yè)任務(wù)。本文闡述了如何通過動力學(xué)受力分析，并在硬件基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一套基本的軟件系統(tǒng)，由此建立可對兩輪平衡車實(shí)現(xiàn)平衡，控速，轉(zhuǎn)向等控制的穩(wěn)定系統(tǒng)。1.1本設(shè)計(jì)的目的、意義及應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求兩輪平衡車衍生于單級倒立擺系統(tǒng)模型，而比起傳統(tǒng)的倒立擺型性能更加優(yōu)越，能夠輕易適應(yīng)各種復(fù)雜地形，例如泥濘道路，路面凹陷不平整等特殊地形。并且兩輪平衡車以電能為動力，結(jié)構(gòu)輕盈小巧，能耗低效率高，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的汽油運(yùn)輸工具，減小環(huán)境污染。同時，兩輪平衡車操作簡單靈活，相較于普通汽車，兩輪平衡車無剎車系統(tǒng)和特殊的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，平衡車只需改變系統(tǒng)的重心和兩輪速度差就能實(shí)現(xiàn)剎車和轉(zhuǎn)向功能。由于上述優(yōu)點(diǎn)，因此兩輪平衡車適用場景十分廣泛。本設(shè)計(jì)用KEA128系列單片機(jī)作為為控制核心，輔以加速度計(jì)、陀螺儀、編碼器以及工型電感等傳感器車模姿態(tài)的測量以及道路信息的識別；根據(jù)采集信息，結(jié)合清華濾波算法以及直立環(huán)、速度、方向等負(fù)反饋PID閉環(huán)控制，以使電磁平衡車保持穩(wěn)定直立狀態(tài)和自主循跡。1.2本設(shè)計(jì)在國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題日本電機(jī)工程與通信大學(xué)的Kazuo教授在1986年提出了一種平行雙輪車并為此申請了專利，但是由于當(dāng)時傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)技術(shù)不夠發(fā)達(dá)，雖然這種小車在兩輪中間設(shè)置了一個小杠桿，并利用這個小杠桿與地面的接觸可以推算出整個車身的傾斜角度，但這種平行雙輪車平衡效果仍然差強(qiáng)人意，所以導(dǎo)致這種自平衡技術(shù)并沒有受到廣泛的關(guān)注。但到了2002年，一種名為“Joe”兩輪平衡電動車被瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的Grasser教授研制出來，這種平衡電動車此時已經(jīng)利用了陀螺儀和傾角計(jì)來計(jì)算車身傾角，此次兩輪平衡車研制的成功讓人們開始對自平衡技術(shù)產(chǎn)生興趣并開始重視這方面的研究。同樣的，在2002年，美國的SegwayLLC公司設(shè)計(jì)開發(fā)了世界上第一部二輪自平衡車，一款名叫“SegwayHT”誕生了。從機(jī)械結(jié)構(gòu)上來看，SegwayHT主要由一個腳踏板，兩個車輪和一豎直車桿組成，是現(xiàn)如今市面上常見的平衡代步車的原型。SegwayHT在運(yùn)動中通過傾角檢測模塊實(shí)時檢測車體傾斜角，并將車體傾斜角數(shù)據(jù)交由控制器處理，控制器由此通過控制算法輸出一個合適的電機(jī)轉(zhuǎn)矩信號，將這個轉(zhuǎn)矩信號輸入給電機(jī)，可以使電機(jī)產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)矩，從而控制兩個車輪實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，轉(zhuǎn)彎和后退等功能。至今，許多平衡車還沿用著SegwayHT的許多設(shè)計(jì)。在SegwayHT面世后，國內(nèi)兩輪平衡車的研究也十分熱門，很多科研機(jī)構(gòu)也早在2003年就開始投入到了兩輪平衡車的研究當(dāng)中，并取得了一定的研究成果。2003年，一款名為“FreeMover”的二輪自平衡電動車由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制出來，而FreeMover在結(jié)構(gòu)上也是由一個連接在車身的連桿和兩個車輪組成，車體的前進(jìn)轉(zhuǎn)彎等操作可以由駕駛者通過改變重心來控制。而在此之后，哈爾濱工程大學(xué)，西安電子科技大學(xué)，清華大學(xué)等多所國內(nèi)高校也相繼開始兩輪平衡車的研究，其中，清華大學(xué)的宋宇寧等研發(fā)的Cheway在結(jié)構(gòu)上雖然與SegwayHT類似，但是Cheway能在下坡時將能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化，為電池充電，使得Cheway續(xù)航能力得到了提高，同時，Cheway的成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于SegwayHT。目前已經(jīng)有許多商用的兩輪平衡代步車已經(jīng)進(jìn)入了市場，成為人們解決日常通勤最后一公里的代步工具。兩輪平衡車不管在工業(yè)用途還是在商用方面都有著寬闊的應(yīng)用前景和市場。1.3本設(shè)計(jì)應(yīng)解決的主要問題目前，影響兩輪平衡車性能的因素主要有三個：針對兩輪自平衡小車，用牛頓經(jīng)典力學(xué)的分析方法進(jìn)行了建立數(shù)學(xué)模型；車身的機(jī)械零點(diǎn)，重心以及電磁感應(yīng)前瞻的長度以及安裝位置都在小車平衡控制中尤為重要，因此需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)機(jī)械機(jī)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型。兩輪平衡車的自平衡控制是需要通過加速度計(jì)，陀螺儀等傳感器實(shí)時檢測車身姿態(tài)以及運(yùn)動狀態(tài)，因此穩(wěn)定且精準(zhǔn)的檢測車身傾角是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制的關(guān)鍵。對已經(jīng)建立的兩輪平衡車系統(tǒng)模型進(jìn)行分析，采用自動控制原理中高階系統(tǒng)的動態(tài)性能分析法設(shè)計(jì)PID閉環(huán)控制器，以達(dá)到對系統(tǒng)的動態(tài)控制。兩輪自平衡系統(tǒng)本身屬于不穩(wěn)定系統(tǒng)，因此控制這種自平衡要用上動態(tài)控制。在動態(tài)控制中PID控制應(yīng)用十分廣泛，有著極強(qiáng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性，適用于兩輪平衡車系統(tǒng)的控制要求。系統(tǒng)中用到的PID控制器的參數(shù)調(diào)試整定，以使系統(tǒng)具有優(yōu)秀的穩(wěn)定性和動態(tài)特性。用由10mh工字型電感組成的電磁感應(yīng)線圈，感應(yīng)周圍電磁場以此確定道路的走向和兩輪車相對于道路的位置。1.4總設(shè)計(jì)方案圖1.1總設(shè)計(jì)方案（1）在掌握兩輪平衡車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理的基礎(chǔ)上，利用牛頓經(jīng)典力學(xué)分析法建立系統(tǒng)的受力模型。（2）本設(shè)計(jì)采用KEA128RM單片機(jī)作為主控進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)動控制，KEA128RM接收系統(tǒng)各個外設(shè)模塊的數(shù)據(jù)，包括MMA7361CL加速度傳感器獲取的系統(tǒng)Z軸加速度值，ENC03MBLPR550型號陀螺儀傳感器獲取的系統(tǒng)X軸，Z軸加速度值，兩個歐姆龍雙相編碼器返回的車輪轉(zhuǎn)速以及電磁感應(yīng)前瞻電磁感值。用C語言編程處理平衡車系統(tǒng)的各個模塊的原始數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)算出車模實(shí)時姿態(tài)，車速和電磁線的走勢，進(jìn)而控制系統(tǒng)平衡和電磁循跡功能，整個系統(tǒng)的關(guān)鍵是單片機(jī)控制的電機(jī)扭矩和傳感器數(shù)據(jù)的處理。無論是兩輪車的平衡還是兩輪車的循跡功能都是通過控制驅(qū)動電機(jī)實(shí)現(xiàn)的，兩個驅(qū)動電機(jī)在空間位置上同軸相連。這兩個電機(jī)需要完成兩輪車的平衡和循跡前進(jìn)兩個任務(wù)，但實(shí)際控制中，這兩個控制是同時發(fā)生的，主控將外設(shè)傳來的數(shù)據(jù)處理成一個控制平衡的控制信號，一個控制速度的控制信號以及一個控制方向的控制信號，將這三個信號疊加在一起加載到驅(qū)動電機(jī)上，驅(qū)動電機(jī)只負(fù)責(zé)根據(jù)這個最終的控制信號輸出相應(yīng)的力矩使兩輪車處于線性狀態(tài)就可以同時實(shí)現(xiàn)上述的兩個任務(wù)。（3）需要注意的是，改變車身傾角可以實(shí)現(xiàn)兩輪車的速度改變，車身傾角的方向決定了兩輪車的運(yùn)動方向，即前進(jìn)或者后退；車身傾角的大小決定了兩輪車的運(yùn)動速度，往前傾斜的角度越大兩輪車的前進(jìn)速度會越快，但超過臨界角度時，系統(tǒng)會因此超調(diào)而失控；此處的臨界角度與系統(tǒng)整體的機(jī)械零點(diǎn)和重心有關(guān)。（4）磁場模型及磁場檢測，根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，通電導(dǎo)線周圍充滿了交變的空間電磁場，在這個空間電磁場中放入一個電感線圈，此時的電磁線圈感應(yīng)到電磁場而在線圈中生成交變的電流。在通電導(dǎo)線位置和通電導(dǎo)線中電流固定的前提下，電感線圈中的感應(yīng)電流就是和車身空間位置相關(guān)的函數(shù)，因此就可以用電感線圈感知兩輪車的位置并作為兩輪車轉(zhuǎn)向的輸入信號。交流電流頻率為20kHz時，通電導(dǎo)線周圍產(chǎn)生甚低頻（VLF）電磁波，波長大概為100km~10km，頻率范圍在3kHz~30kHz之間。如下圖所示：根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，當(dāng)長度為L的直導(dǎo)線通以穩(wěn)恒電流I后,會在直導(dǎo)線附近產(chǎn)生磁場，且距離導(dǎo)線距離d處m點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為： B=θ1θ2μ圖1.2直線電流的磁場第2章兩輪平衡車受力分析及平衡條件 兩輪平衡車的受力分析有利于分析整個系統(tǒng)的平衡條件，方便確定系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)方案。通過簡單的受力分析即可知道兩輪平衡車的平衡原理。2.1入門兩輪平衡車之倒立擺模型 2.1.1倒立擺經(jīng)典模型原理 兩輪平衡車系統(tǒng)衍生于倒立擺系統(tǒng)，要想理解透兩輪平衡車的平衡原理，就必須先引入倒立擺模型。 圖2.1倒立擺模型圖2.2倒立擺傾倒模型 不同于單擺模型，倒立擺受到的“恢復(fù)力”即重力與位移方向相同，這就導(dǎo)致了倒立擺會由于重力而加速偏離垂直位置，直到倒下。因此必須增加額外力使得回復(fù)力與位移方向相反，從而達(dá)到倒立擺能夠穩(wěn)定在垂直位置的目的——控制倒立擺底部車輪，使車輪往一個方向做加速運(yùn)動，這樣他就會受到一個額外的慣性力，方向與車輪加速度方向相反，大小呈正比；因此，倒立擺所受到的回復(fù)力為： F=mgsinθ-macosθ≈ 式子中，因?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)中θ值會很小，所以可以對式子進(jìn)行線性化，只要比例k1＞g（重力加速度），則可以使這個回復(fù)力方向與位移方向相反，使倒立擺能夠穩(wěn)定到垂直平衡位置。 由此則可通過倒立擺模型類比出兩輪平衡車模型。2.2兩輪平衡車模型2.2.1兩輪車平衡車平衡條件及受力分析 下圖為簡化的兩輪平衡車的受力分析，在上圖的整個系統(tǒng)中還包括了底盤，車輪，電池，底盤以及驅(qū)動電機(jī)；組裝兩輪平衡車的時候應(yīng)該注意小車應(yīng)該具備機(jī)械零位（小車在不受系統(tǒng)外力的情況下自身能夠保持平衡的姿態(tài)即為機(jī)械零位），當(dāng)小車的合力矩是垂直于地面的支點(diǎn)線時又超過了車軸，小車車身會繞著車軸或前傾或后仰的旋轉(zhuǎn)。圖2.3兩輪車受力情況 當(dāng)兩輪車在外界干擾下，偏離機(jī)械零位從而車身失去平衡開始倒下，此時若不加入電機(jī)的反饋則小車會完全倒下。電機(jī)的反饋是根據(jù)主控計(jì)算出來的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩除以旋轉(zhuǎn)半徑就是力，轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的力的方向平行于與電機(jī)齒輪嚙合的傳動齒輪嚙合處的切線；由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的不同，轉(zhuǎn)矩力的方向也不同?？偨Y(jié)上述，我們要做的就是在小車偏離機(jī)械零點(diǎn)時由電機(jī)產(chǎn)生一個與干擾外力相反的力使小車回復(fù)到機(jī)械零點(diǎn)，簡單的說：當(dāng)直立的小車往前傾的時候，電機(jī)迅速產(chǎn)生一個后拉小車的力；相反的，當(dāng)小車往后仰時，電機(jī)則應(yīng)該產(chǎn)生一個往前拉的力；于是，小車在失去平衡時可以因?yàn)檫@兩種力而迅速回到機(jī)械零點(diǎn)。 應(yīng)該注意的是，根據(jù)力的相互作用原理和摩擦力原理，我們可以知道，想要產(chǎn)生方向正確的回復(fù)力，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)的方向應(yīng)該與小車傾斜旋轉(zhuǎn)的方向相同，此時電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向才是與干擾外力相反，即當(dāng)小車順時針傾倒時，車輪也應(yīng)該順時針旋轉(zhuǎn)，反之亦然。 2.2.2兩輪平衡車的調(diào)速及轉(zhuǎn)向原理 由上一節(jié)我們知道，電機(jī)產(chǎn)生的回復(fù)力可以使小車一直平衡在機(jī)械零點(diǎn)的位置，然而兩輪車只能在原地保持平衡狀態(tài)。兩輪平衡車的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向必須以平衡為優(yōu)先，在保持平衡的前提下使平衡車前進(jìn)，而平衡車的原理也是利用了直立環(huán)的控制來實(shí)現(xiàn)：MCU控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生力矩破壞當(dāng)前的平衡狀態(tài)使車身前半部分的彎矩大于后半部分的彎矩，直立環(huán)控制為了不讓車身不向前旋轉(zhuǎn)傾倒，將控制直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生對底盤的力矩，而產(chǎn)生的這個力矩會平衡掉小車向前的合力矩，在此過程中可以使小車向前運(yùn)動。為了小車能夠優(yōu)先保持直立平衡，兩輪車的速度控制是通過改變直立環(huán)控制的目標(biāo)值來實(shí)現(xiàn)的，因此小車運(yùn)行的速度與小車的傾角相關(guān)——增加兩輪車車身向前的傾斜角g_fCarAngle可以將兩輪車向前行駛的速度提高。加大兩輪車向前傾斜的角度之后，通過直立環(huán)的控制，車身需要向前運(yùn)動以保持小車平衡，速度因此增大；若要將兩輪車向前運(yùn)動的速度降低，則只需要減小兩輪車向前的傾斜角度g_fCarAngle，由于直立環(huán)的控制，兩輪車會向后運(yùn)動保持兩輪車平衡，速度因此減小。圖2.4系統(tǒng)簡易控制模型 兩個輪子轉(zhuǎn)速不同可實(shí)現(xiàn)兩輪車的差速轉(zhuǎn)向，小車的轉(zhuǎn)向偏移量由轉(zhuǎn)向環(huán)控制。小車的電磁感應(yīng)前瞻感應(yīng)電磁磁場變化，經(jīng)由主控處理輸出一個偏移量，疊加到電機(jī)的輸出信號，電機(jī)根據(jù)這個信號輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。第3章兩輪車平衡車各部件準(zhǔn)備（a）圖3.1小車整體外圍硬件電路設(shè)計(jì)（b）（c）圖3.1小車整體外圍硬件電路設(shè)計(jì)3.1主控設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)以KEA128RM單片機(jī)作為主控，KEA128RM基于ARMCortexM0內(nèi)核,是一種高功效的MCU，工作頻率有48MHz，，提供128KB的嵌入式內(nèi)存，該芯片支持5V電源供電。 KEA128支持最多16個外部模擬輸入，外部引腳輸入和5個內(nèi)部模擬輸入；KEA128的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用是線性逐次逼近算法，支持8位，10位或者12位分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換。利用KEA128的ADC可以讀取加速度，陀螺儀和電磁前瞻各電感線圈的值：表3.1ADC讀取通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器通道對應(yīng)引腳數(shù)據(jù) 數(shù)模轉(zhuǎn)換器通道對應(yīng)引腳數(shù)據(jù)ADC0_SE12PTF4電感1ADC0_SE6PTB2GROY_XADC0_SE13PTF5電感2ADC0_SE5PTB1GROY_YADC0_SE14PTF6電感3ADC0_SE4PTB0ACCLE_XADC0_SE15PTF7電感4ADC0_SE3PTA7ACCLE_YADC0_SE7PTF8電感5ADC0_SE2PTA6ACCLE_Z KEA128芯片帶有FlexTimer模塊(FTM)，該模塊是一種帶有兩到八通道的定時器，并以一個16位計(jì)數(shù)器為時間基準(zhǔn)，計(jì)時器工作模式包括向上計(jì)數(shù)和向上-向下計(jì)數(shù)，F(xiàn)TM定時器時鐘可選，可用于生成控制電機(jī)的PWM信號；FTM定時器還具備輸入捕獲模式，可捕捉上升沿，下降沿或者兩個邊沿同時發(fā)生，可用于讀取編碼器的讀值，作為兩輪車的車速反饋值。 KEA128具有周期性中斷定時器PIT；PIT模塊是一組定時器，可生成中斷和觸發(fā)脈沖。本設(shè)計(jì)使用兩個PIT中斷定時器，分別用于直立環(huán)的中斷處理以及速度環(huán)中斷處理，PIT0中斷用于直立環(huán)，PIT1中斷用于速度環(huán)，各為2ms中斷一次處理。 除上述功能外，本設(shè)計(jì)也需要KEA128的GPIO和UART等功能；為了方便調(diào)試和優(yōu)化兩輪車的性能本設(shè)計(jì)用了四個GPIO口做按鍵輸入，分別為PTH7，PTH5，PTH2和PTH4，配置為上拉電阻模式；串口用于輸出調(diào)試信息。voidGpio_init(void){gpio_init(PTH7,GPI,0);//key_1choiceport_pull(PTH7,PULLUP_ENBLE);//按鍵上拉按下為低電平gpio_init(PTH5,GPI,0);//key_2+port_pull(PTH5,PULLUP_ENBLE);gpio_init(PTH6,GPI,0);//key_3-port_pull(PTH6,PULLUP_ENBLE);gpio_init(PTE4,GPI,0);//key_4stautport_pull(PTE4,PULLUP_ENBLE);}3.2角度測量系統(tǒng)使用MMA7361CL加速度傳感器模塊,可實(shí)時獲取車模在Z軸上的加速度值，用于計(jì)算融合同一時刻車模傾角。同時采用ENC-3MB+LPR550型號陀螺儀傳感器實(shí)時測量X軸、Z軸上的角速度值。MMA7361CL是一種電壓式的三軸加速度傳感器，它可以測量由于重力引起的加速度；ENC-3MB+LPR550陀螺儀傳感器可以輸出一個與角速度成正比的模擬電壓值，我們可以通過主控的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器從外部讀取加速度計(jì)和陀螺儀輸出的模擬電壓值。用ADC0的通道5（ADC0_SE5）讀取陀螺儀X軸上的值，并將其定義為車模X軸上的角速度G_X；通道6（ADC0_SE6）讀取陀螺儀Z軸上的值，并將其定義為車模Z軸上的角速度的G_Z；通道（ADC0_SE2）讀取加速度傳感器Z軸上的模擬值，并將其定義為車模Z軸上的瞬時加速度值A(chǔ)_Z;讀取數(shù)模轉(zhuǎn)換器的值可用庫函數(shù)adc_once讀取一次，或者ad_ave讀取十次去平均值：voidRd_Ad_Value(void)//ad采集值{G_X=adc_once(ADC0_SE5,ADC_10bit);G_Z=ad_ave(ADC0_SE6,ADC_10bit,10);A_Z=adc_once(ADC0_SE2,ADC_10bit);}3.3電感反饋系統(tǒng)本設(shè)計(jì)選用10mH工字型電感作為電磁感應(yīng)線圈識別道路的通電導(dǎo)線的走勢，在電感兩邊并聯(lián)6.8nF電容構(gòu)成檢波放大電路，經(jīng)過放大電路可用ADC通道讀取該電感實(shí)時檢測的電感值。本設(shè)計(jì)將每個電感值存放于一個兩維數(shù)組ad_valu[5][5]，每個電感采集5次：for(j=0;j<5;j++){ad_valu[0][j]=adc_once(ADC0_SE7,ADC_10bit);ad_valu[1][j]=adc_once(ADC0_SE12,ADC_10bit);ad_valu[2][j]=adc_once(ADC0_SE13,ADC_10bit);ad_valu[3][j]=adc_once(ADC0_SE14,ADC_10bit);ad_valu[4][j]=adc_once(ADC0_SE15,ADC_10bit);}經(jīng)過排序后，舍去兩邊極端的值，取中間三項(xiàng)的值求平均，同時進(jìn)行一階互補(bǔ)濾波：for(i=0;i<5;i++){ad_sum[i]=ad_valu[i][1]+ad_valu[i][2]+ad_valu[i][3];AD_valu[i]=ad_sum[i]/3;AD_valu[i]=(int16)(0.3*AD_valu_old[i]+0.7*AD_valu[i]);//一階互補(bǔ)濾波AD_valu_old[i]=AD_valu[i];}最終經(jīng)過濾波后得到的五個電感值存放在AD_valu_old的數(shù)組中，數(shù)組中的第0元素為最左邊的豎直電感0的值，并依次為電感1，電感2，電感3，電感4的值。電感反饋系統(tǒng)將采集到的電感值反饋給MCU處理，得到一個偏差值輸入到方向環(huán)中完成方向環(huán)的閉環(huán)。MCU主要是對五個電感值作了比值法的處理，使其得到一個較為可靠的偏差值： 偏差量dev=(E1+使用該比值法的偏差量不存在極值點(diǎn)，能比較接近于真實(shí)情況。用這個偏差量會反饋到電機(jī)輸出量上，此處使用差速法即可使得兩輪車根據(jù)偏差量完成相應(yīng)的轉(zhuǎn)向控制，即左輪的pwm值加上偏差值，右輪的pwm值減去偏差量。本設(shè)計(jì)的電感反饋系統(tǒng)由一個超出車身80厘米纖維桿，安裝纖維桿在橫向水平的平鋪的5個10mH的工字型電磁感應(yīng)線圈及其對應(yīng)的檢波放大電路組成。電感排布呈雙T型對稱以及中間水平電感方式：圖3.1電感分布這種排布方案是在雙水平排布方案的基礎(chǔ)上，再增加兩個豎直電感——前瞻兩側(cè)各增加一個垂直于水平電感相的電感，豎直電感與水平電感兩兩垂直，且關(guān)于中心線對稱。雙T型電感排布的優(yōu)點(diǎn)在于，比起全水平電感排布，在電感與道路中心的通電導(dǎo)線之間存在夾角時，雙T型電感可以避免車身位置距離中心導(dǎo)線的計(jì)算誤差，結(jié)合垂直和水平兩種電感電動勢，可以使電磁兩輪車適應(yīng)不同的道路元素，增加小車的預(yù)判能力，保證小車快速穩(wěn)定的在電磁線運(yùn)行。3.4電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)本設(shè)計(jì)采用兩個7v驅(qū)動電機(jī)以及兩個500線的雙相歐姆龍編碼器；本設(shè)計(jì)選用的歐姆龍編碼器不僅可測量車輪轉(zhuǎn)速，還可輸出旋轉(zhuǎn)方向——MCU讀取編碼器方向引腳的電平，當(dāng)編碼器為順時針旋轉(zhuǎn)時該引腳為高電平，當(dāng)該引腳輸出低電平時則為逆時針旋轉(zhuǎn)。圖3.2歐姆龍編碼器用PIT0定時器每10毫秒獲取一次編碼器的值；編碼器的值由FTM定時器外部引腳脈沖計(jì)數(shù)功能獲取，右輪使用FTM0定時器計(jì)數(shù)，而左輪使用FTM1定時器獲?。簐alr=ftm_pulse_get(FTM0);vall=ftm_pulse_get(FTM1);而將歐姆龍方向引腳輸出與芯片的PTA0和PTH2引腳相連后，編碼器的旋轉(zhuǎn)方向就可直接讀取這兩個引腳的電平即可:dirr=gpio_get(PTA0);dirl=gpio_get(PTH2); 用FTM定時器輸出PWM，調(diào)整占空比可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的調(diào)速控制。 ftm_pwm_duty(FTM2,FTM_CH1,speedl);3.5用戶交互界面本設(shè)計(jì)使用了一塊0.96寸的OLED屏幕以及四個按鍵便于調(diào)試人員的對小車進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整。OLED的驅(qū)動為IIC協(xié)議，在使用時利用芯片的普通口模擬IIC協(xié)議即可。圖3.3用于調(diào)試的交互界面第4章兩輪平衡車的軟件設(shè)計(jì)4.1兩輪車的直立控制4.1.1車身姿態(tài)角的融合兩輪車的直立平衡關(guān)鍵在于獲取車身當(dāng)前的姿態(tài)信息。在車軸的附近安裝了加速度傳感器和陀螺儀；車身Z軸上的俯仰角信號可由加速度傳感器MMA7361測得，對這個信號進(jìn)行微分可獲得此時車身傾角速度，但由于車子自身的抖動大大干擾傳感器的傾角信號，造成信號毛刺較多；陀螺儀在Z軸上的輸出是車身的傾斜角速度信號，對此信號積分可以得到車身的傾角，但在此積分過程中會將微小的積分放大，造成積累誤差；因此需要加速度計(jì)和陀螺儀共同作用，互補(bǔ)缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試后，選擇采用清華軟件角度濾波算法將傾角信號和角速度信號進(jìn)行融合,得到一個即不滯后也不過沖的穩(wěn)定的姿態(tài)角；三軸加速度計(jì)MMA7361的Z軸數(shù)據(jù)歸一化處理：由于采集出來的是電壓值，而且由于傳感器本身問題，根據(jù)傳感器安裝的位置和環(huán)境的不同，需要對采集出來的數(shù)值進(jìn)行線性歸一化以矯正誤差，因此需要靜態(tài)提前測得初值MMA7361_vertical，MMA7361_ratio和MMA7361_forward，通過串口輸出。 angle_offset_vertical=(MMA7361_vertical-A_Z)*MMA7361_ratio (式4.1)其中MMA7361_vertical為零偏數(shù)值，即車身保持在機(jī)械零位時加速度計(jì)的值；MMA7361_ratio是比例因子，其值等于90/（MMA7361_forward-MMA7361_ratio）；MMA7361_forward為加速度傳感器安裝在車身上時，車身往前水平傾倒的數(shù)值；A_Z為實(shí)時測得的Z軸上的數(shù)值；于是通過該公式則可得到車身在-180°—180°之間角度變化angle_offset_vertical。ENC-3MB+LPR550陀螺儀數(shù)據(jù)初始化測出陀螺儀在靜止時的數(shù)值GYRO_VAL，并給定陀螺儀比例因子Gyro_ratio，經(jīng)過測試和實(shí)驗(yàn)將比例因子Gyro_ratio定為0.25角度跟蹤效果最好； Gyro_Now=(GYRO_VAL-G_X)*Gyro_ratio; (式4.2)通過該公式可得到歸一化的Gyro_Now——陀螺儀角速度。得到加速度計(jì)的值angle_offset_vertical和陀螺儀的值Gyro_Now之后，可通過卡爾曼濾波，一階互補(bǔ)濾波或清華濾波方案可將二者融合為一個跟蹤快速且不超調(diào)不過沖的姿態(tài)角，本設(shè)計(jì)使用清華濾波方案。voidQingHua_AngleCalaulate(floatG_angle,floatGyro_m){floatfDeltaValue;g_fCarAngle=g_fGyroscopeAngleIntegral;//最終融合角度fDeltaValue=(G_angle-g_fCarAngle)/GRAVITY_ADJUST_TIME_CONSTANT;//時間系數(shù)矯正g_fGyroscopeAngleIntegral+=(Gyro_m+fDeltaValue)*DT;//融合角度}該方案中GRAVITY_ADJUST_TIME_CONSTANT為重力補(bǔ)償系數(shù)，一般先取2，后期可經(jīng)過調(diào)試調(diào)整，選定最優(yōu)的參數(shù)。DT為積分時間系數(shù)一般根據(jù)定時器的定時時間決定，也可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。將計(jì)算出的angle_offset_vertical和Gyro_Now傳入清華濾波函數(shù)Qinghua_AngleCalaulate(angle_offset_vertical,Gyro_Now)，返回值為g_fCarAngle，即最終融合的車身姿態(tài)角。4.1.2小車PD控制器實(shí)現(xiàn)直立平衡將車身姿態(tài)角作為驅(qū)動電機(jī)的輸入，通過電機(jī)對小車姿態(tài)實(shí)時矯正，但單純的角度作為輸入不滿足小車的動態(tài)特性，小車的直立效果較差，所以姿態(tài)角的基礎(chǔ)上，加入陀螺儀補(bǔ)償，提高小車直立控制響應(yīng)的響應(yīng)速度，減小滯后或過沖： speed_Start=g_fCarAngle+*pid.P_ANGLE+Gyro_Now*pid.D_ANGLE (式4.3)直立環(huán)比例系數(shù)P_ANGLE與小車的姿態(tài)角相乘，使得姿態(tài)角在此PD控制器中占主導(dǎo)，可以增大直立控制的反應(yīng)速率，但該系數(shù)過大會導(dǎo)致小車控制超調(diào)，造成小車震蕩。D_ANGLE為小車直立環(huán)中的微分參數(shù)，可抑制小車的震蕩現(xiàn)象，但微分參數(shù)過大會影響小車反應(yīng)速度，造成小車反應(yīng)遲緩，也就是說會抑制P_ANGLE參數(shù)的效果。P_ANGLE相當(dāng)于單擺受到的回復(fù)力，而超前系數(shù)相當(dāng)于單擺在空氣中受到的空氣阻力，也就是阻尼。D_ANGLEPD控制器輸出speed_Start作為電機(jī)的PWM輸入，由此控制電機(jī)的扭矩輸出，使小車保持在直立狀態(tài)。if(speedl>=0)//正轉(zhuǎn){ftm_pwm_duty(FTM2,FTM_CH1,speedl);ftm_pwm_duty(FTM2,FTM_CH0,0);}else{ftm_pwm_duty(FTM2,FTM_CH1,0);ftm_pwm_duty(FTM2,FTM_CH0,-speedl);}if(speedr>=0){ftm_pwm_duty(FTM2,FTM_CH2,speedr);ftm_pwm_duty(FTM2,FTM_CH3,0);}else{ftm_pwm_duty(FTM2,FTM_CH2,0);ftm_pwm_duty(FTM2,FTM_CH3,-speedr);}4.2兩輪車的速度閉環(huán)控制由前文可知，兩輪車的速度與車身的傾斜角有關(guān)，將小車的速度與預(yù)設(shè)速度做差得到速度偏差量，用此偏差量改變小車的傾角即可實(shí)現(xiàn)對車速的控制。編碼器采集的脈沖數(shù)可以直接反應(yīng)為小車速度，編碼器采集十次值取平均值：Avg_Sp[9]=Avg_Sp[8];Avg_Sp[8]=Avg_Sp[7];Avg_Sp[7]=Avg_Sp[6];Avg_Sp[6]=Avg_Sp[5];Avg_Sp[5]=Avg_Sp[4];Avg_Sp[4]=Avg_Sp[3];Avg_Sp[3]=Avg_Sp[2];Avg_Sp[2]=Avg_Sp[1];Avg_Sp[1]=Avg_Sp[0];Avg_Sp[0]=valr;valr=(Avg_Sp[0]+Avg_Sp[1]+Avg_Sp[2]+Avg_Sp[3]+Avg_Sp[4]+Avg_Sp[5]+Avg_Sp[6]+Avg_Sp[7]+Avg_Sp[8]+Avg_Sp[9])/10;經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，速度閉環(huán)采用純P控制效果較好，原因在于PID控制器中積分參數(shù)I容易飽和引起系統(tǒng)超調(diào)或者失控。SpeedError=SetSpeed-(valr+vall)/2;SpeedControlOutNew=pid.P_SPEED*SpeedError;式中，SetSpeed為設(shè)定速度，valr,vall為經(jīng)過均值濾波后的左右輪脈沖值，將左右輪統(tǒng)一為一個控制對象，用其與設(shè)定速度作差得到速度偏差SpeedError=SetSpeed-(valr+vall)/2；速度偏差SpeedError乘與一個速度環(huán)的比例系數(shù)P_SPEED得到速度環(huán)輸出的PWM量SpeedControlOutNew，此時考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將速度環(huán)輸出的PWM值分段平穩(wěn)輸出給電機(jī)：voidSpeed_Control_Output(void){floatfValue;fValue=SpeedControlOutNew-SpeedControlOutOld;PID_SPEED_OUT=fValue*(SpeedCount+1)/Speed_Filter_Times+SpeedControlOutOld;if(PID_SPEED_OUT>10)PID_SPEED_OUT=10;if(PID_SPEED_OUT<-10)PID_SPEED_OUT=-10;}由于兩輪平衡車系統(tǒng)是一個非最小相位系統(tǒng)，所以在此控制中的比例或者速度過大時，容易變成系統(tǒng)的正反饋，導(dǎo)致小車系統(tǒng)失控，所以速度的調(diào)節(jié)需要非常緩慢和平滑。將SpeedControlOutNew與SpeedControlOutOld的差值fValue分成十段疊加到輸出PID_SPEED_OUT，并將每段限幅在10以內(nèi)，由此可將速度增量或者減量平穩(wěn)的輸出到電機(jī)上；本設(shè)計(jì)以直立環(huán)為優(yōu)先保證小車直立性能，由此將速度環(huán)與直立環(huán)串級以優(yōu)先穩(wěn)定小車直立平衡：

speed_Start=(g_fCarAngle+PID_SPEED_OUT)*pid.P_ANGLE+Gyro_Now*pid.D_ANGLE; (式4.4)在直立環(huán)的輸出處，將速度環(huán)的輸出PID_SPEED_OUT直接改變車身的傾斜角，該式子實(shí)現(xiàn)了速度環(huán)和直立環(huán)的串級PID。4.3兩輪車的轉(zhuǎn)向環(huán)控制本設(shè)計(jì)中兩輪車需要沿著特定的跑道運(yùn)行，跑道中心鋪設(shè)了漆包線，并為漆包線通以100MA的20Khz交變電流，使中心附近產(chǎn)生一個交變磁場，兩輪車的電磁前瞻可以檢測道路的電磁中心線偏差，兩輪車以此控制電機(jī)差速輸出以實(shí)現(xiàn)小車對道路的循跡——由電磁線偏差檢測信號與小車速度控制信號進(jìn)行加或減，使得小車左右輪控制的速度不同而形成轉(zhuǎn)向。speedl=(int)(speed_Start-turning_pwm);speedr=(int)(speed_Start+turning_pwm);本設(shè)計(jì)中電磁前瞻放置了5個線圈用于感應(yīng)磁場變化。圖4.1為線圈中的感應(yīng)電動勢E與其距離導(dǎo)線水平位置x的函數(shù)。當(dāng)左右兩邊線圈位置關(guān)于通電導(dǎo)線對稱時，兩邊線圈中的感應(yīng)電動勢大小相同；而當(dāng)小車偏離導(dǎo)線時，兩邊線圈在位置上與導(dǎo)線不對稱，則兩邊線圈的感應(yīng)電動勢大小不一，根據(jù)此時兩邊不對稱的感應(yīng)電動勢的差值作為左右電機(jī)的輸入，調(diào)整小車方向，引導(dǎo)小車沿電導(dǎo)線行駛。圖4.2為感應(yīng)電動勢差值Ed與距離x之間的函數(shù)，小車的轉(zhuǎn)向可根據(jù)這個函數(shù)關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，保證電磁前瞻的中心位置跟蹤道路的中心線。圖4.1感應(yīng)電動勢E與x函數(shù)圖4.2感應(yīng)電動勢差值Ed差值與x函數(shù)當(dāng)小車偏離中心線的距離超出一定值時，左右電感檢測出的偏差值會逐漸減小，在車速較高的情況下容易造成誤判，因此采用比值法解決這個弊端。比值法下的左右電感偏差量會隨小車到中心線距離增大而增大，可以正確反映車身偏離中心線的距離，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性：deviation=(float)((AD[1]+S_ratio*AD[0]-AD[3]-S_ratio*AD[4])/(AD[1]*AD[1]+AD[0]*AD[0]+AD[3]*AD[3]+AD[4]*AD[4]))*1000 (式4.5)式中，線圈電感值存放在AD的一維數(shù)組里；比值的算法：左電感值之和減去右電感值除去各電感值的平方和，得到偏差值deviation用來矯正方向。AD[0]和AD[4]為垂直電感，S_ratio為豎直電感系數(shù)，增大該值可增大垂直線圈的作用。同時，根據(jù)電感距通電導(dǎo)線的遠(yuǎn)近，賦予不同的權(quán)值，比較近的傳感器取得的權(quán)重大一些，比較遠(yuǎn)的傳感器取得的權(quán)重小一些，使得加權(quán)平均后的偏差值更加準(zhǔn)確，使得小車在任何情況下都能夠穩(wěn)定過彎。權(quán)重可視情況修改：AD[1]=0.3*AD[1],AD[2]=0.4*AD[2],AD[3]=0.3*AD[3];由于車子自重較大，具有較大的轉(zhuǎn)動慣量，容易在調(diào)整過程出現(xiàn)兩輪車轉(zhuǎn)向過沖的現(xiàn)象。因此方向環(huán)的控制也需要PD控制控制器——增加微分控制，抑制小車的轉(zhuǎn)向的過沖現(xiàn)象。微分控制可以根據(jù)小車方向的變化率修正電機(jī)的差速控制量，以抑制過沖。此處需引入陀螺儀在Z軸上的值，即小車轉(zhuǎn)動的速度； turning_pwm=pid.P_TURN*now_deviation+pid.D_TURN*Gyro_Z； (式4.6)式中，P_TURN是轉(zhuǎn)向環(huán)比例系數(shù)，now_deviation是經(jīng)過一階互補(bǔ)濾波后的方向偏差量，Gyro_Z是陀螺儀在Z軸上的值，D_TURN是轉(zhuǎn)向環(huán)的微分參數(shù)。得到的turning_pwm是經(jīng)過PD控制器的輸出量；小車根據(jù)turning_pwm實(shí)現(xiàn)差速控制可以使小車在穩(wěn)定循跡，并在轉(zhuǎn)彎時平穩(wěn)快速過彎。將方向環(huán)的輸出turning_pwm和直立速度環(huán)串級PID的輸出speed_Start正負(fù)疊加： speedl=(int)(speed_Start-turning_pwm); (式4.7) speedr=(int)(speed_Start+turning_pwm); (式4.8)最終，左右電機(jī)根據(jù)計(jì)算出的speedl與speedr信號實(shí)時輸出轉(zhuǎn)矩，左右偏移的值互為相反，以此實(shí)現(xiàn)小車的直立，速度和轉(zhuǎn)向控制。圖4.3系統(tǒng)主流程圖4.4兩輪車整體性能的調(diào)試4.4.1PID控制器參數(shù)的整定所有的PID參數(shù)存放與一個pid結(jié)構(gòu)體中：externstructPID_Def{ floatP_ANGLE; floatD_ANGLE; floatP_SPEED; floatP_TURN; floatD_TURN;}pid;直立環(huán)中，因?yàn)镻參數(shù)和D參數(shù)會互相影響，因此需要找到一對P_ANGLE與D_ANGLE的值使小車直立性能最穩(wěn)定——響應(yīng)迅速，系統(tǒng)不超調(diào)，在原地保持直立。首先，保持P_ANGLE和D_ANGLE數(shù)值都為0，逐漸增大參數(shù)P_ANGLE，當(dāng)小車出現(xiàn)輕微震蕩時，開始調(diào)節(jié)參數(shù)D_ANGLE，直到小車不再震蕩。反復(fù)進(jìn)行這個過程，對這對參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，直到小車具有較穩(wěn)定的直立性能；在實(shí)際調(diào)參的過程中，我們發(fā)現(xiàn)，還應(yīng)該事先確定P參數(shù)的極性，因?yàn)镻_ANGLE參數(shù)的極性直接決定了閉環(huán)是正反饋還是負(fù)反饋閉環(huán)。我們先將D參數(shù)為零，將P_ANGLE參數(shù)設(shè)置為正數(shù)，發(fā)現(xiàn)此時直立環(huán)變成了正反饋，小車不僅不會進(jìn)行角度補(bǔ)償控制小車保持直立，反而加速了小車傾倒的速度；于是我們將P_ANGLE參數(shù)設(shè)置為負(fù)數(shù)，此時的兩輪車可以進(jìn)行負(fù)反饋，會抑制小車的傾倒，甚至在零點(diǎn)位置反復(fù)震蕩，于是我們知道了P參數(shù)的極性為負(fù)。同樣的，我們先保持P參數(shù)不變，先置D參數(shù)為正數(shù)，可以看到的是當(dāng)D參數(shù)為正時，會加劇小車的抖動，而當(dāng)D參數(shù)為負(fù)時可以抑制小車抖動，于是可以知道D參數(shù)極性也為負(fù)極性。在此過程中可以使參數(shù)的數(shù)值保持較小，以免小車調(diào)試過程中跑飛導(dǎo)致齒輪的損壞或者整個車身的不可修復(fù)的損壞。在一開始的調(diào)試過程中，小車的一直無法保持平衡，來回?cái)[動，出現(xiàn)“點(diǎn)頭”拍地的現(xiàn)象，于是我們將融合好的角度，加速度，和陀螺儀等數(shù)據(jù)通過串口輸出，利用匿名四軸軟件觀察跟蹤角度的波形圖，發(fā)現(xiàn)融合出來角度的容易發(fā)生過沖超調(diào)的現(xiàn)象，且毛刺較多，于是通過我們排查發(fā)現(xiàn)是陀螺儀的數(shù)值讀取出了點(diǎn)錯誤，于是我們馬上解決，最終發(fā)現(xiàn)是陀螺儀x軸和z軸互換了導(dǎo)致的融合效果達(dá)不到要求，在我們解決之后，小車開始能在原地保持平衡了，在此之后才能進(jìn)行直立環(huán)的調(diào)參。速度環(huán)中，起初我們將速度環(huán)設(shè)置為PI控制器控制，但在實(shí)際運(yùn)行中卻發(fā)現(xiàn)積分I參數(shù)容易發(fā)生積分飽和的情況，導(dǎo)致了更多不可控情況，我們嘗試用一些消除積分飽和，包括積分限幅等，但都收效甚微，甚至出現(xiàn)小車向前行走一段距離后又后退回到原點(diǎn)又或者在起點(diǎn)附近來回走動的情況，后來我們發(fā)現(xiàn)單一個P控制器輸出串進(jìn)小車直立環(huán)，用速度環(huán)的輸出改變小車的傾角，利用直立環(huán)的特性也可以使小車穩(wěn)定前進(jìn)，于是我們選擇串級PID控制，速度環(huán)只使用P控制器。設(shè)定小車速度為0，將P_SPEED參數(shù)從零開始增大，當(dāng)小車輕微抖動時停止增大參數(shù)P_SPEED，再慢慢進(jìn)行微調(diào)，當(dāng)兩輪車能以速度為零的狀態(tài)靜止在原地時，保存此時的P_SPEED數(shù)值。方向環(huán)中，用的是PD控制器，同樣將兩個參數(shù)置零，逐漸增大參數(shù)P_TURN，當(dāng)小車的電磁前瞻在道路中心線輕微地左右搖擺時，逐步增大參數(shù)D_TURN，直到擺動停止。此時的效果是，擺動小車的電磁前瞻使其偏離電磁導(dǎo)線，小車會輸出一個較大的回復(fù)力使小車前瞻恢復(fù)到電磁中心線，但會有中心線位置來回震蕩，此時我們加大了參數(shù)D，較大的回復(fù)力可以使小車迅速回到中心線位置，而D參數(shù)可以在P參數(shù)較大造成震蕩的情況下抑制這種震動，到反復(fù)微調(diào)這兩個參數(shù)，使得兩輪車位置回正迅速且不超調(diào)，使循跡前進(jìn)性能穩(wěn)定。但當(dāng)車速較高使時，兩輪車轉(zhuǎn)向不及時，此時再調(diào)整PD參數(shù)效果不明顯，于是我們通過增大豎直電感系數(shù)S_ratio達(dá)到小車能夠提前預(yù)測彎道的效果，保證小車在車速過快的情況下也能平穩(wěn)過彎。在不斷優(yōu)化小車的循跡的性能的過程中我們發(fā)現(xiàn)在同一高度洗對稱的電感的采集的值不太一樣，這就為計(jì)算的偏差量帶來了一點(diǎn)誤差，為解決這個問題，我們使電磁前瞻在中心線位置保持在一定的高度，將采集到的電感值顯示在oled屏上，通過旋轉(zhuǎn)電磁放大電路上的電位器可以改變采集到電感值，使左右對稱電感值保持在同一個數(shù)值，這樣通過比值法計(jì)算的偏差量能更客觀的反應(yīng)磁場變化，使小車更穩(wěn)定循跡。應(yīng)該注意的是，這三組PID參數(shù)也會互相影響，當(dāng)時，我們的直立環(huán)過硬就會影響速度環(huán)的效果，造成小車無法前進(jìn)的問題。因此，在調(diào)整這三組PID參數(shù)時應(yīng)該注意直立環(huán)，速度環(huán)和方向環(huán)的耦合，達(dá)到小車整體性能的最佳狀態(tài)。表4.1最終參數(shù)整定直立環(huán)速度環(huán)轉(zhuǎn)向環(huán)P-800.15.29I///D-2.09/-4.99為方便調(diào)試，整定參數(shù)，本設(shè)計(jì)利用了四個按鍵和一個OLED顯示屏。調(diào)試人員可以直接通過OLED屏觀察各參數(shù)的值，電磁傳感器的值，并通過按鍵修改各參數(shù)的值。（a）（b）圖4.4平衡車運(yùn)行情況第5章總結(jié)目前，兩輪平衡車的研究逐漸成熟，出現(xiàn)了許多算法實(shí)現(xiàn)平衡車的控制，使得兩輪平衡車的性能越來越強(qiáng)，可適應(yīng)較為復(fù)雜環(huán)境，補(bǔ)充了四驅(qū)車無法工作的工作場景，因此使得兩輪平衡車的應(yīng)用范圍廣泛，在工業(yè)范圍內(nèi)可用于運(yùn)輸，在商用的范圍里可作為人們便捷的代步工具。兩輪平衡車是典型的非線性強(qiáng)耦合模型，研究此課題十分具有使用價值和研究意義。本文所作的主要研究與工作如下：查閱相關(guān)資料，整理有關(guān)國內(nèi)外兩輪平衡車的發(fā)展現(xiàn)狀并對其進(jìn)行簡單的分析。利用牛頓經(jīng)典力學(xué)分析了倒立擺模型，由倒立擺模型類比，并分析了兩輪平衡車受力模型和兩輪平衡車控制的原理。根據(jù)前期的分析研究，提出了總設(shè)計(jì)方案，包括選擇KEA128作為主控并查閱了芯片手冊確定片內(nèi)資源，選定加速度計(jì)，陀螺儀，電機(jī)，編碼器和電磁線圈，并決定控制策略。確定了外設(shè)型號后，驅(qū)動外設(shè)并采集數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了兩輪平衡車自平衡，調(diào)速和巡線控制的軟件系統(tǒng)。對整車的整體性能進(jìn)行調(diào)試，并最優(yōu)化PID控制器的參數(shù)。由此，本文從原理到實(shí)際操作，實(shí)現(xiàn)了兩輪平衡車的自平衡控制，并使得平衡車穩(wěn)定完成自主道路循跡。參考文獻(xiàn)[1]胡壽松.自動控制原理（第五版）[M],科學(xué)出版社,2007.

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invertedpendulumforobjecttransportation.IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems.1996:396-401.[16]李磊,葉濤,譚民等.系統(tǒng)機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀與未來[J].機(jī)器人,2002,29(1):10-13.[17]T.Braunl,J.Pan.BalancingaTwo-WheeledAutonomousRobot[D].The

UniversityofWesternAustraliaSchoolofMechanicalEngineeringFinalYear

Thesis.2003:1-10,23-43.[18]魏延輝,劉勝,高延濱等.基于兩輪自平衡機(jī)器人組合定位方法的研究[J].機(jī)械與電子2010.謝辭時間過得很快，眨眼間四年的時光一晃而過。在這將近四年時間里，我要感謝的人太多太多。還記得我剛上大學(xué)時的懵懂，有很多幫助過我的師兄師姐，他們在我什么都不懂的時候，耐心得帶著我適應(yīng)大學(xué)的一切，讓我有了很大的成長。兩輪平衡車這個課題對我來說難度較大，在此十分感謝我的兩個隊(duì)友，正是隊(duì)友們的不懈努力才能完成這個課題，那些無數(shù)個攻克難關(guān)的日日夜夜，幸好有你們的陪伴和堅(jiān)持，這一過程我受益良多，不僅學(xué)會了相關(guān)技術(shù)，更是磨練了意志，學(xué)會了堅(jiān)持，這將是我非?？少F的經(jīng)歷。更重要的是我要感謝指導(dǎo)我的姚遠(yuǎn)老師，姚遠(yuǎn)老師非常耐心，悉心指出了我論文的不足，并一一指導(dǎo)。還要感謝所有幫助過我的老師們，他們都很熱心，也很平易近人，經(jīng)常幫助我解決問題。最后，我十分想感謝在我四年大學(xué)時光里一直一起奮斗努力的隊(duì)友們和團(tuán)隊(duì)的小伙伴們，正式這群可愛的人讓我在這四年的時光里不虛度時光，收獲很多，也正是彼此的鞭策才使我們能成為更好的自己，十分感謝。祝愿每個人幸福安康。附錄附錄1程序源代碼系統(tǒng)初始化函數(shù)voidSystem_init(void){uart_init(UART0,9600);ftm_pwm_init(FTM2,FTM_CH0,10*1000,50);ftm_pwm_init(FTM2,FTM_CH1,10*1000,50);ftm_pwm_init(FTM2,FTM_CH2,10*1000,50);ftm_pwm_init(FTM2,FTM_CH3,10*1000,50);ftm_pulse_init(FTM0,FTM_PS_1,TCLK1);ftm_pulse_init(FTM1,FTM_PS_1,TCLK2);gpio_init(PTA0,GPI,0);gpio_init(PTH2,GPI,0);kbi_init(PTE4,KBI_PULLUP_EN|KBI_FALLING);//按鍵外部中斷KBI1_CLEAN_FLAG();pit_init_ms(PIT1,2);//速度環(huán)中斷定時5mspit_init_ms(PIT0,2);;//直立環(huán)中斷定時250usset_irq_priority(PIT_CH0_IRQn,0);set_irq_priority(PIT_CH1_IRQn,1);pid.P_ANGLE=-80;pid.D_ANGLE=-2.09;pid.P_SPEED=0.1;pid.I_SPEED=0;pid.P_TURN=5.29;pid.D_TURN=-4.99;OLED_Init();adc_init(ADC0_SE12);//PTF4adc_init(ADC0_SE13);//PTF5adc_init(ADC0_SE14);//PTF6adc_init(ADC0_SE15);//PTF7adc_init(ADC0_SE7);//PTB3adc_init(ADC0_SE6);//GROY_Xadc_init(ADC0_SE5);//GROY_Yadc_init(ADC0_SE4);//ACCLE_Xadc_init(ADC0_SE3);//ACCLE_Yadc_init(ADC0_SE2);//ACCLE_Zgpio_init(PTG3,GPO,1);gpio_init(PTE4,GPI,0);gpio_init(PTG0,GPO,1);gpio_init(PTG1,GPO,1);gpio_init(PTG2,GPO,1);Gpio_init();OLED_Fill(0x00);OLED_P8x16Str(0,0,on);}主函數(shù)部分voidmain(void){System_init();//系統(tǒng)初始化kbi_enable_irq(PTE4);//按鍵中斷enable_irq(PIT_CH1_IRQn);//轉(zhuǎn)向環(huán)中斷enable_irq(PIT_CH0_IRQn);//定時器2ms中斷一次EnableInterrupts;//開總中斷while(1){}}清華濾波方案voidQingHua_AngleCalaulate(floatG_angle,floatGyro_m){floatfDeltaValue;g_fCarAngle=g_fGyroscopeAngleIntegral;//最終融合角度fDeltaValue=(G_angle-g_fCarAngle)//GRAVITY_ADJUST_TIME_CONSTANT;//時間系數(shù)矯正g_fGyroscopeAngleIntegral+=(Gyro_m+fDeltaValue)*DT;//融合角度}角度融合函數(shù)voidAD_Calculate(void){Rd_Ad_Value();//采集ADGyro_Now=(GYRO_VAL-G_X)*Gyro_ratio;//陀螺儀采集到的角速度歸一化GYRO_XGyro_Z=(G_Z-994)*Gyro_ratio;angle_offset_vertical=(MMA7361_vertical-A_Z)*MMA7361_ratio;//將加速度計(jì)采集到的角度歸一化，乘上0.375是為了歸一化到0~90°ACC_Zif(angle_offset_vertical>90)angle_offset_vertical=90;//防止加速度角度溢出if(angle_offset_vertical<-90)angle_offset_vertical=-90;//計(jì)算融合后的角度//Kalman_Filter(angle_offset_vertical,Gyro_Now);//卡爾曼角度濾波方案QingHua_AngleCalaulate(angle_offset_vertical,Gyro_Now);//清華角度濾波方案//Yijiehubu(angle_offset_vertical,Gyro_Now);//一階互補(bǔ)濾波（適用于數(shù)字式陀螺儀）speed_Start=(g_fCarAngle+PID_SPEED_OUT)*pid.P_ANGLE+Gyro_Now*pid.D_ANGLE;//速度和直立串級}附錄2:硬件原理圖

PCB圖

怎樣提高電腦系統(tǒng)運(yùn)行速度WindowsXP的啟動速度比Windows2000要快30%左右，但相對于Windows98仍然要慢了不少，不過，我們可以通過優(yōu)化設(shè)置，來大大提高WindowsXP的啟動速度。加快系統(tǒng)啟動速度主要有以下方法：盡量減少系統(tǒng)在啟動時加載的程序與服務(wù)；對磁盤及CPU等硬件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置；修改默認(rèn)設(shè)置，減少啟動等待時間等。這些方法大部分既可減少系統(tǒng)啟動的時間，又可以節(jié)省系統(tǒng)資源，加快電腦運(yùn)行速度。1.加快系統(tǒng)啟動速度WindowsXP的啟動速度比Windows2000要快30%左右，但相對于Windows98仍然要慢了不少，不過，我們可以通過優(yōu)化設(shè)置，來大大提高WindowsXP的啟動速度。加快系統(tǒng)啟動速度主要有以下方法：盡量減少系統(tǒng)在啟動時加載的程序與服務(wù)；對磁盤及CPU等硬件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置；修改默認(rèn)設(shè)置，減少啟動等待時間等。這些方法大部分既可減少系統(tǒng)啟動的時間，又可以節(jié)省系統(tǒng)資源，加快電腦運(yùn)行速度。(1)MsconfigWindowsXP的啟動速度在系統(tǒng)安裝初期還比較快，但隨著安裝的軟件不斷增多，系統(tǒng)的啟動速度會越來越慢，這是由于許多軟件把自己加在了啟動程序中，這樣開機(jī)即需運(yùn)行，大大降低了啟動速度，而且也占用了大量的系統(tǒng)資源。對于這樣一些程序，我們可以通過系統(tǒng)配置實(shí)用程序Msconfig將它們從啟動組中排除出去。選擇“開始”菜單中的“運(yùn)行”命令，在“運(yùn)行”對話框中鍵入“Msconfig”，回車后會彈出“系統(tǒng)配置實(shí)用程序”對話框，選擇其中的“啟動”選項(xiàng)卡(如圖1)，該選項(xiàng)卡中列出了系統(tǒng)啟動時加載的項(xiàng)目及來源，仔細(xì)查看每個項(xiàng)目是否需要自動加載，否則清除項(xiàng)目前的復(fù)選框，加載的項(xiàng)目越少，啟動的速度就越快。設(shè)置完成后需要重新啟動方能生效。(2)BootvisBootvis是微軟提供的一個啟動優(yōu)化工具，可提高WindowsXP的啟動速度。用BootVis提升WindowsXP的啟動速度必須按照正確的順序進(jìn)行操作，否則將不會起到提速的效果。其正確的操作方法如下：啟動Bootvis，從其主窗口(如圖2)中選擇“工具”菜單下的“選項(xiàng)”命令，在“符號路徑”處鍵入Bootvis的安裝路徑，如“C:\ProgramFiles\Bootvis”，單擊“保存”退出。從“跟蹤”菜單中選擇“下次引導(dǎo)”命令，會彈出“重復(fù)跟蹤”對話框，單擊“確定”按鈕，BootVis將引導(dǎo)WindowsXP重新啟動，默認(rèn)的重新啟動時間是10秒。系統(tǒng)重新啟動后，BootVis自動開始運(yùn)行并記錄啟動進(jìn)程，生成啟動進(jìn)程的相關(guān)BIN文件，并把這個記錄文件自動命名為TRACE_BOOT_1_1。程序記錄完啟動進(jìn)程文件后，會重新啟動BootVis主界面，在“文件”菜單中選擇剛剛生成的啟動進(jìn)程文件“TRACE_BOOT_1_1”。窗口中即會出現(xiàn)“CPU>使用”、“磁盤I/O”、“磁盤使用”、“驅(qū)動程序延遲”等幾項(xiàng)具體圖例供我們分析，不過最好還是讓BootVis程序來自動進(jìn)行分析：從“跟蹤”菜單中選擇“系統(tǒng)優(yōu)化”命令，程序會再次重新啟動計(jì)算機(jī)，并分析啟動進(jìn)程文件，從而使計(jì)算機(jī)啟動得更快。(3)禁用多余的服務(wù)WindowsXP在啟動時會有眾多程序或服務(wù)被調(diào)入到系統(tǒng)的內(nèi)存中，它們往往用來控制Windows系統(tǒng)的硬件設(shè)備、內(nèi)存、文件管理或者其他重要的系統(tǒng)功能。但這些服務(wù)有很多對我們用途不大甚至根本沒有用，它們的存在會占用內(nèi)存和系統(tǒng)資源，所以應(yīng)該將它們禁用，這樣最多可以節(jié)省70MB的內(nèi)存空間，系統(tǒng)速度自然也會有很大的提高。選擇“開始”菜單中的“運(yùn)行”命令，在“運(yùn)行”對話框鍵入“services.msc”后回車，即可打開“服務(wù)”窗口。窗口的服務(wù)列表中列出了系統(tǒng)提供的所有服務(wù)的名稱、狀態(tài)及啟動類型。要修改某個服務(wù)，可從列表雙擊它，會彈出它的屬性對話框(如圖3)，你可從“常規(guī)”選項(xiàng)卡對服務(wù)進(jìn)行修改，通過單擊“啟動”、“停止”、“暫?！薄ⅰ盎謴?fù)”四個按鈕來修改服務(wù)的狀態(tài)，并可從“啟動類型”下拉列表中修改啟動類型，啟動類型有“自動”、“手動”、“已禁用”三種。如果要禁止某個服務(wù)在啟動自動加載，可將其啟動類型改為“已禁用”。WindowsXP提供的所有服務(wù)有36個默認(rèn)是自動啟動的，實(shí)際上，其中只有8個是必須保留的(見下表)，其他的則可根據(jù)自己的需要進(jìn)行設(shè)置，每種服務(wù)的作用在軟件中有提示。4)修改注冊表來減少預(yù)讀取，減少進(jìn)度條等待時間WindowsXP在啟動過程中會出現(xiàn)一個進(jìn)度條，我們可以通過修改注冊表，讓進(jìn)度條只跑一圈就進(jìn)入登錄畫面。選擇“開始”菜單中的“運(yùn)行”命令，在“運(yùn)行”對話框鍵入“regedit”命令后回車，即可啟動注冊表編輯器，在注冊表中找HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\SessionManager\MemoryManagement\PrefetchParameters，選擇其下的EnablePrefetcher鍵，把它的鍵值改為“1”即可。(5)減少開機(jī)磁盤掃描等待時間當(dāng)Windows日志中記錄有非正常關(guān)機(jī)、死機(jī)引起的重新啟動，系統(tǒng)就會自動在啟動的時候運(yùn)行磁盤掃描程序。在默認(rèn)情況下，掃描每個分區(qū)前會等待10秒鐘，如果每個分區(qū)都要等上10秒才能開始進(jìn)行掃描，再加上掃描本身需要的時間，會耗費(fèi)相當(dāng)長的時間才能完成啟動過程。對于這種情況我們可以設(shè)置取消磁盤掃描的等待時間，甚至禁止對某個磁盤分區(qū)進(jìn)行掃描。選擇“開始→運(yùn)行”，在運(yùn)行對話框中鍵入“chkntfs/t:0”，即可將磁盤掃描等待時間設(shè)置為0；如果要在計(jì)算機(jī)啟動時忽略掃描某個分區(qū)，比如C盤，可以輸入“chkntfs/xc:”命令；如果要恢復(fù)對C盤的掃描，可使用“chkntfs/dc:”命令，即可還原所有chkntfs默認(rèn)設(shè)置，除了自動文件檢查的倒計(jì)時之外。2.提高系統(tǒng)運(yùn)行速度提升系統(tǒng)運(yùn)行速度的思路與加快啟動的速度類似：盡量優(yōu)化軟硬件設(shè)置，減輕系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。以下是一些常用的優(yōu)化手段。(1)設(shè)置處理器二級緩存容量WindowsXP無法自動檢測處理器的二級緩存容量，需要我們自己在注冊表中手動設(shè)置，首先打開注冊表，找到“HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\S