兩輪自平衡小車的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　題目 兩輪自平衡小車的設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué) 院 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 </p><p>　　年 級(jí) 專 業(yè) </p><p>　　班 級(jí) 學(xué) 號(hào) </p><p

2、>　　學(xué)生姓名 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職 稱 </p><p>　　論文提交日期 </p><p>　　兩輪自平衡小車的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p&

3、gt;<p>　　近年來(lái)，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(jì)方案，采用陀螺儀ENC-03以及MEMS加速度傳感器MMA7260構(gòu)成小車姿態(tài)檢測(cè)裝置，使用卡爾曼濾波完成陀螺儀數(shù)據(jù)與加速度計(jì)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)融合。系統(tǒng)選用飛思卡爾16位單片機(jī)MC9S12XS128為控制核心，完成了傳感器信號(hào)的處理，濾波算法的實(shí)現(xiàn)及車身控制，人機(jī)交互等。</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)制作完

4、成后，各個(gè)模塊能夠正常并協(xié)調(diào)工作，小車可以在無(wú)人干預(yù)條件下實(shí)現(xiàn)自主平衡。同時(shí)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)。小車還可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，后退，左右轉(zhuǎn)等基本動(dòng)作。</p><p>　　關(guān)鍵詞：兩輪自平衡 陀螺儀 姿態(tài)檢測(cè) 卡爾曼濾波 數(shù)據(jù)融合</p><p>　　Design of Two-Wheel Self-Balance Vehicle</p>&

5、lt;p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In recent years, the research and application of two-wheel self-balanced vehicle have obtained rapid development. This paper presents a design scheme of two-whe

6、el self-balanced vehicle. Gyroscope ENC-03 and MEMS accelerometer MMA7260 constitute vehicle posture detection device. System adopts Kalman filter to complete the gyroscope data and accelerometer data fusion.，and adopts

7、freescale16-bit microcontroller-MC9S12XS128 as controller core. The center controller realizes the sensor signal process</p><p>　　Upon completion of the entire system, each module can be normal and to coordi

8、nate work. The vehicle can keep balancing in unmanned condition. At the same time, the vehicle can be adjusted independently then quickly restore stability when there is a moderate amount of interference. In addition, th

9、e vehicle also can achieve forward, backward, left and right turn and other basic movements.</p><p>　　Key Words: Two-Wheel Self-Balance; Gyroscope; Gesture detection; Kalman filter; Data fusion</p>&l

10、t;p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1.緒論1</b></p><p>　　1.1研究背景與意義1</p><p>　　1.2兩輪自平衡車的關(guān)鍵技術(shù)2</p><p>　　1.2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)2</p><p>　　1.2.2數(shù)學(xué)建模

11、2</p><p>　　1.2.3姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)2</p><p>　　1.2.4控制算法3</p><p>　　1.3本文主要研究目標(biāo)與內(nèi)容3</p><p>　　1.4論文章節(jié)安排3</p><p>　　2.系統(tǒng)原理分析5</p><p>　　2.1控制系統(tǒng)要求分析5</p

12、><p>　　2.2平衡控制原理分析5</p><p>　　2.3自平衡小車數(shù)學(xué)模型6</p><p>　　2.3.1兩輪自平衡小車受力分析6</p><p>　　2.3.2自平衡小車運(yùn)動(dòng)微分方程9</p><p>　　2.4 PID控制器設(shè)計(jì)10</p><p>　　2.4.1 PID控

13、制器原理10</p><p>　　2.4.2 PID控制器設(shè)計(jì)11</p><p>　　2.5姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)12</p><p>　　2.5.1陀螺儀12</p><p>　　2.5.2加速度計(jì)13</p><p>　　2.5.3基于卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)融合14</p><p>　　2.6

14、本章小結(jié)16</p><p>　　3.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.1 MC9SXS128單片機(jī)介紹17</p><p>　　3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)19</p><p>　　3.3 電源管理模塊設(shè)計(jì)21</p><p>　　3.4傾角傳感器信號(hào)調(diào)理電路22</p><p

15、>　　3.4.1加速度計(jì)電路設(shè)計(jì)22</p><p>　　3.4.2陀螺儀放大電路設(shè)計(jì)22</p><p>　　3.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)23</p><p>　　3.5.1驅(qū)動(dòng)芯片介紹24</p><p>　　3.5.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)24</p><p>　　3.6速度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)25</p>

16、;<p>　　3.6.1編碼器介紹25</p><p>　　3.6.2 編碼器電路設(shè)計(jì)26</p><p>　　3.7輔助調(diào)試電路27</p><p>　　3.8本章小結(jié)27</p><p>　　4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.1軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)28</p><

17、;p>　　4.2單片機(jī)初始化軟件設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.2.1鎖相環(huán)初始化28</p><p>　　4.2.2模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ATD）初始化29</p><p>　　4.2.3串行通信模塊（SCI）初始化設(shè)置30</p><p>　　4.2.4測(cè)速模塊初始化31</p><p>　　4.2.5

18、PWM模塊初始化32</p><p>　　4.3姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)32</p><p>　　4.3.1陀螺儀與加速度計(jì)輸出值轉(zhuǎn)換32</p><p>　　4.3.2卡爾曼濾波器的軟件實(shí)現(xiàn)34</p><p>　　4.4平衡PID控制軟件實(shí)現(xiàn)35</p><p>　　4.5兩輪自平衡車的運(yùn)動(dòng)控制37<

19、/p><p>　　4.6本章小結(jié)39</p><p>　　5. 系統(tǒng)調(diào)試40</p><p>　　5.1系統(tǒng)調(diào)試工具40</p><p>　　5.2系統(tǒng)硬件電路調(diào)試40</p><p>　　5.3姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)調(diào)試41</p><p>　　5.4控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定44</p>

20、;<p>　　5.5兩輪自平衡小車動(dòng)態(tài)調(diào)試44</p><p>　　5.6本章小結(jié)45</p><p>　　6. 總結(jié)與展望46</p><p><b>　　6.1 總結(jié)46</b></p><p><b>　　6.2 展望46</b></p><p>

21、;<b>　　參考文獻(xiàn)47</b></p><p><b>　　附 錄48</b></p><p>　　附錄一 系統(tǒng)電路原理圖48</p><p>　　附錄二 系統(tǒng)核心源代碼49</p><p><b>　　致謝52</b></p><p>

22、<b>　　1.緒論</b></p><p>　　1.1研究背景與意義</p><p>　　近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，移動(dòng)機(jī)器人的研究不斷深入，成為目前科學(xué)研究最活躍的領(lǐng)域之一，移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，面臨的環(huán)境和任務(wù)也越來(lái)越復(fù)雜，這就要求移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)器人需要在凹凸不平的地面上行走，有時(shí)環(huán)境中能夠允許機(jī)器

23、人運(yùn)行的地方比較狹窄等。如何解決機(jī)器人在這些環(huán)境中運(yùn)行的問(wèn)題，逐漸成為研究者關(guān)心的問(wèn)題。</p><p>　　兩輪自平衡機(jī)器人的概念正是在這樣一個(gè)背景下提出來(lái)的，這種機(jī)器人區(qū)別于其他移動(dòng)機(jī)器人的最顯著的特點(diǎn)是：采用了兩輪共軸、各自獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的工作方式(這種驅(qū)動(dòng)方式又被稱為差分式驅(qū)動(dòng)方式)，車身的重心位于車輪軸的上方，通過(guò)輪子的前后移動(dòng)來(lái)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

24、能力強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)靈活，可以勝任一些復(fù)雜環(huán)境里的工作。</p><p>　　兩輪自平衡機(jī)器人自面世以來(lái)，一直受到世界各國(guó)機(jī)器人愛(ài)好者和研究者的關(guān)注，這不僅是因?yàn)閮奢喿云胶鈾C(jī)器人具有獨(dú)特的外形和結(jié)構(gòu)，更重要的是因?yàn)槠渥陨淼谋举|(zhì)不穩(wěn)定性和非線性使它成為很好的驗(yàn)證控制理論和控制方法的平臺(tái)，具有很高的研究?jī)r(jià)值。</p><p>　　早在1987年，日本電信大學(xué)教授山藤一雄就提出了兩輪自平衡機(jī)器人的概念。

25、這個(gè)基本的概念就是用數(shù)字處理器來(lái)偵測(cè)平衡的改變，然后以平行的雙輪來(lái)保持機(jī)器的平穩(wěn)[1][2]。</p><p>　　本世紀(jì)初瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的Joe、美國(guó)的SegwayN等兩輪自平衡機(jī)器人相繼問(wèn)世，世界各國(guó)越來(lái)越多的機(jī)器人愛(ài)好者和研究者開(kāi)始關(guān)注兩輪自平衡機(jī)器人。美國(guó)發(fā)明家狄恩?卡門與他的DEKA研發(fā)公司研發(fā)出了可以用于載人的兩輪自平衡車命名為賽格威，并已投入市場(chǎng)。由于兩輪自平衡車有著活動(dòng)靈便，環(huán)境無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)，其被

26、廣泛應(yīng)用于各類高規(guī)格社會(huì)活動(dòng)，目前該車已用于奧運(yùn)會(huì)以及世博會(huì)等大型場(chǎng)合。</p><p>　　當(dāng)今唯一市場(chǎng)化的兩輪自平衡電動(dòng)車，如圖1-1所示，在2002年上市以來(lái)就備受各界的關(guān)注?？ㄩT觀察人類走路的姿勢(shì)特性，領(lǐng)悟到其實(shí)人類之所以可以平穩(wěn)地直立行走，是因?yàn)轶w內(nèi)靈敏的平衡器官可以精確地判斷出身體重心的改變量，透過(guò)小腦的即時(shí)反應(yīng)，然后利用腿部的肌肉即時(shí)出力來(lái)平衡傾倒的態(tài)勢(shì)。所以當(dāng)人類的身體前傾時(shí)，這種不自主的反應(yīng)會(huì)促

27、使人類伸出其中的一只腳往前走來(lái)平衡身體，所以透過(guò)這種前傾、往前踏腳、前傾、往前踏腳的動(dòng)作循環(huán)，即構(gòu)成了“步行”這種動(dòng)作。因此卡門嘗試使用精密的陀螺儀來(lái)代替人類的前庭與耳蝸等平衡器官，以電動(dòng)馬達(dá)與車輪代替人類的雙腳，發(fā)展出所謂的“動(dòng)態(tài)穩(wěn)定"概念[3]。</p><p>　　圖1-1 Segway兩輪自平衡車</p><p>　　1.2兩輪自平衡車的關(guān)鍵技術(shù)</p>&

28、lt;p><b>　　1.2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　兩輪自平衡車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括：車身機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上保持小車重心的穩(wěn)定性，才能減少控制系統(tǒng)由于車身機(jī)械結(jié)構(gòu)的不合理性而造成的控制復(fù)雜化；硬件系統(tǒng)必須包含自平衡車所需的所有電子系統(tǒng)與電氣設(shè)備；軟件系統(tǒng)則具體負(fù)責(zé)車身平衡控制。</p><p><b>　

29、　1.2.2數(shù)學(xué)建模</b></p><p>　　系統(tǒng)模型的建立，有助于控制器設(shè)計(jì)，以及控制系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的確定。系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立的重點(diǎn)在于動(dòng)力學(xué)方面，主要采用拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程以及牛頓力學(xué)定律的方法。然而通常的動(dòng)力學(xué)建模方法沒(méi)有考慮電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，車身震動(dòng)對(duì)模型的影響。并且兩輪子平衡車是本質(zhì)不穩(wěn)定的非線性系統(tǒng)，因此建模必須考慮線性化問(wèn)題。</p><p>　　1.2.3姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)&

30、lt;/p><p>　　兩輪子平衡車通過(guò)姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)車身姿態(tài)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并根據(jù)姿態(tài)信息對(duì)小車進(jìn)行控制。因此，對(duì)于兩輪自平衡車來(lái)說(shuō)，能夠精確并穩(wěn)定的檢測(cè)當(dāng)前車身傾角，是實(shí)現(xiàn)有效控制的關(guān)鍵所在。目前有多重技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傾角檢測(cè)，但是實(shí)時(shí)性，經(jīng)濟(jì)性還不夠理想。采用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微機(jī)電系統(tǒng))陀螺儀和加速度計(jì)等慣性傳感器構(gòu)成的姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的檢測(cè)兩

31、輪自平衡車的傾角。但是由于慣性傳感器自身固有特性，隨著溫度，震動(dòng)等外界變化，會(huì)產(chǎn)生不同程度的漂移與噪聲，因此必須使用一些濾波算法，對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，使測(cè)量角度更加真實(shí)穩(wěn)定。</p><p><b>　　1.2.4控制算法</b></p><p>　　兩輪自平衡車屬于本質(zhì)不穩(wěn)定系統(tǒng)，因此其實(shí)現(xiàn)的平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡。在遇到外界干擾如何快速恢復(fù)，保持自平

32、衡等問(wèn)題是控制算法需要考慮的問(wèn)題。傳統(tǒng)的PID控制在各類工業(yè)場(chǎng)合有著廣泛的應(yīng)用，完全可以滿足兩輪自平衡車的控制系統(tǒng)要求。當(dāng)然，也可以采用各類先進(jìn)的控制算法，諸如基于狀態(tài)空間的LQR（最優(yōu)控制）、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等[4]。</p><p>　　1.3本文主要研究目標(biāo)與內(nèi)容</p><p>　　本課題設(shè)計(jì)了一款兩輪自平衡小車，研究了車身姿態(tài)檢測(cè)中陀螺儀與加速度傳感器的互補(bǔ)特性，并根據(jù)其特性比

33、較并設(shè)計(jì)濾波算法，包括卡爾曼濾波，互補(bǔ)濾波等常用濾波算法。PID控制算法的實(shí)現(xiàn)以及直流電機(jī)調(diào)速的研究。具體包括：</p><p>　　(1) 機(jī)器人本體設(shè)計(jì)：包括機(jī)械，重心調(diào)整，電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，為進(jìn)一步研究提供良好的平臺(tái)；</p><p>　　(2) 信號(hào)調(diào)理及控制部分電路設(shè)計(jì)：陀螺儀輸出信號(hào)需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步濾波放大，因此需要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路，同時(shí)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)

34、備，因此需要對(duì)主控單元電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)還需要設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。</p><p>　　(3) 基于卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)融合：由于陀螺儀測(cè)量的角速度只在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定而加速度傳感器的自身白噪聲很嚴(yán)重，因此根據(jù)其互補(bǔ)特性設(shè)計(jì)卡爾曼濾波器以得到準(zhǔn)確穩(wěn)定的角度和角速度。</p><p>　　(4) PID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(jī)的閉環(huán)速度控制。</p>

35、<p><b>　　1.4論文章節(jié)安排</b></p><p>　　第一章：緒論，介紹兩輪自平衡車的發(fā)展歷史、研究方向及應(yīng)用前景，然后闡述課題的研究目標(biāo)及主要內(nèi)容。</p><p>　　第二章：系統(tǒng)原理闡述與分析，對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模，分析陀螺儀與加速度計(jì)的特性并對(duì)濾波算法進(jìn)行闡述，介紹PID控制器的設(shè)計(jì)。</p><p>　　第三

36、章：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，介紹兩輪子平衡車硬件系統(tǒng)的組成與設(shè)計(jì)，主要介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)、陀螺儀信號(hào)放大電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等。</p><p>　　第四章：系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，介紹單片機(jī)初始化，濾波算法及控制算法，闡述各模塊軟件設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　第五章：系統(tǒng)調(diào)試，介紹濾波算法的效果與參數(shù)調(diào)整方法，PID參數(shù)整定、電機(jī)、編碼器等模塊的調(diào)試效果，對(duì)調(diào)試結(jié)果進(jìn)行分析。</p><

37、;p>　　第六章：總結(jié)與展望，總結(jié)本設(shè)計(jì)各模塊，并對(duì)兩輪自平衡小車的優(yōu)化方向進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述。</p><p><b>　　2. 系統(tǒng)原理分析</b></p><p>　　2.1控制系統(tǒng)要求分析</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)要求，小車必須要能夠在無(wú)外界干預(yù)下依靠一對(duì)平行的車輪保持平衡，并完成前進(jìn)，后退，左右轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。分析系統(tǒng)要求可知，保持

38、小車直立和運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力都來(lái)自于小車的兩只車輪，車輪由兩只直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。因此，從控制角度來(lái)看，可以將小車作為一個(gè)控制對(duì)象，控制輸入量是兩個(gè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。整個(gè)控制系統(tǒng)可以分為三個(gè)子系統(tǒng)：</p><p>　　(1)小車平衡控制：以小車傾角為輸入量，通過(guò)控制兩個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)保持小車衡。</p><p>　　(2)小車速度控制：在保持平衡的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)節(jié)小車傾角實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的控制，實(shí)際上還是演變?yōu)?/p>

39、對(duì)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)小車的速度控制。</p><p>　　(3)小車方向控制：通過(guò)控制兩個(gè)電機(jī)間的轉(zhuǎn)速不同實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。</p><p>　　小車直立和方向控制任務(wù)都是直接通過(guò)控制車模兩個(gè)后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成的，而速度控制則是通過(guò)調(diào)節(jié)小車傾角完成的。小車不同的傾角會(huì)引起車模的加減速，從而達(dá)到對(duì)小車速度的控制。</p><p>　　三個(gè)子系統(tǒng)各自獨(dú)立進(jìn)行控制。由于最終都是對(duì)同一個(gè)

40、控制對(duì)象（小車的電機(jī)）進(jìn)行控制，所以各個(gè)子系統(tǒng)之間存在著耦合。為了方便分析，在分析其中之一時(shí)，假設(shè)其它控制對(duì)象都已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定。比如在速度控制時(shí)，需要小車已經(jīng)能夠保持直立控制；在方向控制時(shí)，需要小車能夠保持平衡和速度恒定；同樣，在小車平衡控制時(shí)，也需要速度和方向控制已經(jīng)達(dá)到平穩(wěn)。這三個(gè)任務(wù)中保持小車平衡是關(guān)鍵。由于小車同時(shí)受到三種控制的影響，從小車平衡控制的角度來(lái)看，其它兩個(gè)控制就成為干擾。因此對(duì)小車速度、方向的控制應(yīng)該盡量保持平滑，以減

41、少對(duì)平衡控制的干擾。以速度調(diào)節(jié)為例，需要通過(guò)改變車模平衡控制中小車傾角設(shè)定值，從而改變車模實(shí)際傾斜角度，達(dá)到速度控制的要求。為了避免影響車模平衡控制，這個(gè)車模傾角的改變需要非常緩慢的進(jìn)行。其中平衡控制是系統(tǒng)的最基本要求，也是整個(gè)控制系統(tǒng)的難點(diǎn)。</p><p>　　2.2平衡控制原理分析</p><p>　　控制小車平衡的直觀經(jīng)驗(yàn)來(lái)自人類日常生活經(jīng)驗(yàn)。如人類身體擁有豐富的感知器官，通過(guò)大腦

42、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(guò)簡(jiǎn)單訓(xùn)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(gè)條件：一個(gè)是托著木棍的手指可以自由移動(dòng)；另一個(gè)是人的眼睛可以觀察木棍的傾斜角度與傾斜趨勢(shì)(角速度)。這兩個(gè)條件缺一不可，實(shí)際上這就是控制系統(tǒng)中的負(fù)反饋機(jī)制，如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 保持木棍直立的反饋控制系統(tǒng)</p><p>　　自平衡車的控制也是通過(guò)負(fù)反

43、饋來(lái)實(shí)現(xiàn)的，與在指尖保持木棍直立比較則相對(duì)簡(jiǎn)單。由于小車只依靠?jī)蓚€(gè)車輪著地，車輪與地面會(huì)發(fā)生相對(duì)滾動(dòng)使得小車傾斜。而小車上裝載的姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)π≤嚨膬A斜狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過(guò)控制器控制車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，抵消在這個(gè)維度上的傾斜力矩便可以保持小車平衡，如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 通過(guò)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)保持小車平衡</p><p>　　2.3自平衡小車數(shù)學(xué)模型</p><

44、;p>　　2.3.1兩輪自平衡小車受力分析</p><p>　　為了準(zhǔn)確控制車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，保持小車始終穩(wěn)定的直立平衡，需要對(duì)自平衡車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析并建立其數(shù)學(xué)模型，從而更好的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。</p><p>　　為了更加直觀的分析系統(tǒng)受力情況，下面將直立小車與單擺模型進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明小車的受力情況。</p><p>　　重力場(chǎng)中使用細(xì)線懸掛的重物經(jīng)抽象化便形成理想化的單

45、擺模型，兩輪自平衡車可以看作一級(jí)倒立擺模型進(jìn)行分析，如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3 小車抽象為一級(jí)倒立擺模型</p><p>　　對(duì)普通單擺進(jìn)行受力分析如圖2-4所示。</p><p>　　圖2-4 單擺受力分析</p><p>　　當(dāng)物體離開(kāi)平衡位置后便會(huì)受到重力與線的合作用力，驅(qū)使物體回復(fù)至平衡位置。這個(gè)力稱為回復(fù)力，其大

46、小為：</p><p><b>　?。ㄊ?-1）</b></p><p>　　在偏移角很小情況下，回復(fù)力與偏移角之間的大小成正比，方向相反。在此回復(fù)力的作用下，單擺進(jìn)行周期運(yùn)動(dòng)。由于空氣阻力的存在，單擺最終會(huì)停止在平衡位置?？諝庾枘崃εc單擺的速度成正比，方向相反。阻尼力越大，單擺會(huì)越快停止在平衡位置?？傻贸觯瑔螖[保持平衡的條件有兩點(diǎn)：</p><p

47、>　　(1) 受到與偏移相反的回復(fù)力作用；</p><p>　　(2) 受到與運(yùn)動(dòng)速度相反的阻尼力作用。</p><p>　　如果沒(méi)有阻尼力，單擺會(huì)在平衡位置左右晃動(dòng)而無(wú)法停止。如果阻尼力過(guò)小（欠阻尼），單擺會(huì)在平衡位置震蕩。阻尼力過(guò)大（過(guò)阻尼）則導(dǎo)致單擺恢復(fù)平衡時(shí)間加長(zhǎng)。因而存在一個(gè)臨界阻尼系數(shù)，使單擺穩(wěn)定在平衡位置所需時(shí)間最短。</p><p>　　對(duì)靜止

48、的一級(jí)倒立擺模型進(jìn)行受力分析（不考慮車輪與地面的滾動(dòng)摩擦力），如圖2-5所示。</p><p>　　圖2-5一級(jí)倒立擺模型受力分析圖</p><p>　　由一級(jí)倒立擺模型靜止時(shí)的受力分析可知，其回復(fù)力大小為：</p><p><b>　?。ㄊ?-2）</b></p><p>　　靜止的倒立擺之所以不能像單擺一樣可以穩(wěn)定在

49、平衡位置，是因?yàn)樵谄x平衡位置時(shí)所受回復(fù)力與其偏移方向相同，而不是相反，因此不能回復(fù)至平衡位置，而是加速偏離垂直位置直至傾倒。</p><p>　　經(jīng)分析可知，要控制倒立擺使其能夠與單擺一樣能夠回復(fù)至平衡位置并保持穩(wěn)定有兩種方案。一種是改變重力方向；另一種是在系統(tǒng)中增加另外一種力使合回復(fù)力與偏移方向相反。顯然，只能通過(guò)第二種方法實(shí)現(xiàn)倒立擺的平衡，即在系統(tǒng)中額外增加一種力使合回復(fù)力與偏移方向相反。</p>

50、;<p>　　根據(jù)牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律（即慣性定律），任何一個(gè)物體在不受外力或受平衡力的作用時(shí)，總是保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直到有作用在其上面的外力迫使其改變這種狀態(tài)為止。牛頓運(yùn)動(dòng)定律只在慣性參考系中成立。在非慣性參考系中，由于慣性的存在，物體會(huì)受慣性力。</p><p>　　通過(guò)控制倒立擺底部車輪，使其做加速運(yùn)動(dòng)。在此條件下再次分析倒立擺受力情況，如圖2-6所示。</p><

51、;p>　　圖2-6 非慣性系中的倒立擺受力分析</p><p>　　由于車輪做加速運(yùn)動(dòng)，倒立擺會(huì)受額外的慣性力作用。假設(shè)車輪運(yùn)動(dòng)使倒立擺具有的加速度為α。選取地面為參考的慣性系，根據(jù)牛頓第二定律可知倒立擺受到的慣性力為：</p><p><b>　　（式2-3）</b></p><p>　　這樣，倒立擺所受到的合回復(fù)力為：</p&g

52、t;<p><b>　　（式2-4）</b></p><p>　　在平衡控制系統(tǒng)中，可控偏移角θ較小，對(duì)其進(jìn)行線性化。假設(shè)控制系統(tǒng)中車輪加速度α與偏移角θ成正比關(guān)系，比例系數(shù)為，則式2-4可變換為：</p><p><b>　　（式2-5）</b></p><p>　　若比例系數(shù)>g（重力加速度），則倒

53、立擺所受合回復(fù)力的方向即與偏移方向相反。這樣，倒立擺便可以回復(fù)平衡位置，但是其調(diào)整時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。為提高倒立擺調(diào)整時(shí)間，需要加入阻尼力。增加的阻尼力與偏移角速度成正比，方向相反，因此式（2-5）可變?yōu)椋?lt;/p><p><b>　?。ㄊ?-6）</b></p><p>　　這樣車輪需要提供的加速度即為：</p><p><b>　?。ㄊ?-

54、7）</b></p><p>　　式中為傾角，為傾角速度，、為比例系數(shù)。由式2-7可知，只有當(dāng)>g時(shí)，倒立擺才能穩(wěn)定到垂直位置。為阻尼系數(shù)，合適的阻尼系數(shù)可以使倒立擺盡快回復(fù)至穩(wěn)定位置。</p><p>　　2.3.2自平衡小車運(yùn)動(dòng)微分方程</p><p>　　已知自平衡車高度為，質(zhì)量為，將其抽象為一級(jí)倒立擺，并將倒立擺至于可水平移動(dòng)的小車上。假設(shè)

55、其受外力干擾引起的車體角加速度為，沿垂直于車體方向進(jìn)行受力分析如圖2-7，可以得到自平衡車傾角與車輪移動(dòng)加速度為以及外力干擾帶來(lái)的加速度之間的運(yùn)動(dòng)方程。</p><p>　　圖2-7 外力干擾條件下的小車受力分析</p><p>　　小車運(yùn)動(dòng)微分方程表達(dá)式如式2-8：</p><p><b>　?。ㄊ?-8）</b></p>&l

56、t;p>　　當(dāng)傾角很小的時(shí)候，可以進(jìn)行線性化處理： ，運(yùn)動(dòng)微分方程可簡(jiǎn)化為：</p><p><b>　?。ㄊ?-9）</b></p><p>　　自平衡車靜止時(shí),其運(yùn)動(dòng)微分方程為：</p><p><b>　　（式2-10）</b></p><p>　　2.4 PID控制器設(shè)計(jì)</p&

57、gt;<p>　　2.4.1 PID控制器原理</p><p>　　當(dāng)今的自動(dòng)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(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量系統(tǒng)需要控制的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。在工程實(shí)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(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方

58、便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。</p><p>　　PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e (t）與輸出u (t）的關(guān)系為：</p><p><b>　　(式2-11)</b></p><p>　　其中為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　PID控制器具有

59、原理簡(jiǎn)單、使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性強(qiáng)、對(duì)模型依賴少等特點(diǎn)，因此使用PID控制器實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡車的控制是完全可行的。</p><p>　　2.4.2 PID控制器設(shè)計(jì)</p><p>　　由小車靜止時(shí)其運(yùn)動(dòng)方程可得到系統(tǒng)輸入輸出傳遞函數(shù)：</p><p>　　(式2-12) &

60、lt;/p><p>　　此時(shí)系統(tǒng)具有兩個(gè)極點(diǎn)：。其中一個(gè)極點(diǎn)位于s平面的右半平面。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?fàn)顟B(tài)不能保持平衡[5][6]。</p><p>　　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(lái)源為車輪與地面的摩擦力。由式2-7可知，車輪提供的加速度的大小是根據(jù)角度及角速度的反饋得出，因此需要在控制系統(tǒng)中引入角度及角速度構(gòu)成比例(P)微分(D

61、)反饋環(huán)節(jié)，如圖2-8所示。</p><p>　　圖2-8 加入比例微分環(huán)節(jié)后的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　加入比例微分反饋后的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　(式2-13)</b></p><p>　　此時(shí)，系統(tǒng)的兩個(gè)極點(diǎn)為。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(gè)極點(diǎn)都位于s平面的左半平面。要

62、滿足這一點(diǎn)，需要>g, >0。由此可得出結(jié)論，但>g, >0時(shí)，小車可以保持平衡，這也與上文中小車受力分析的結(jié)果相符。</p><p>　　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制（角速度是角度的微分）。因此上面系數(shù)，分別稱為比例和微分控制參數(shù)。其中微分參數(shù)相當(dāng)于阻尼力，可以有效抑制自平衡車振蕩。</p><p>　　控制系

63、統(tǒng)的輸出量為電機(jī)控制量，因而小車平衡控制的PID控制器的輸出方程可寫(xiě)為：</p><p>　　OUT_Motor=Kp*Angle+Kd*Angle_dot (式2-14)</p><p>　　式2-14中，OUT_Motor為PID控制輸出量，Angle為反饋傾角值，Angle_dot為反饋角速度值，Kp和Kd分別

64、為比例系數(shù)及微分系數(shù)。</p><p><b>　　2.5姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)</b></p><p>　　兩輪自平衡車不同于普通傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的小車，是一種本質(zhì)不穩(wěn)定非線性系統(tǒng)。需要不斷調(diào)整自身角度，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。因此需要實(shí)時(shí)檢測(cè)自身傾角，再進(jìn)行合理調(diào)整，就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，因而姿態(tài)檢測(cè)成為控制小車直立平衡的關(guān)鍵。</p><p>　　慣性導(dǎo)航是依據(jù)牛頓

65、慣性原理，利用慣性元件來(lái)測(cè)量運(yùn)載體本身的加速度，經(jīng)過(guò)積分和運(yùn)算得到速度和位置，從而達(dá)到角度、角速度、位置等姿態(tài)檢測(cè)的目的。其工作時(shí)不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)[7][8]。</p><p>　　MEMS慣性器件具有體積小，耐沖擊，壽命長(zhǎng)，可靠性高，成本低等特點(diǎn)，非常適于構(gòu)建微型捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用MEMS加速度計(jì)和陀螺儀構(gòu)成自平衡車的姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。</p&g

66、t;<p><b>　　2.5.1陀螺儀</b></p><p>　　陀螺儀是一種用高速回轉(zhuǎn)體的動(dòng)量矩敏感殼體相對(duì)慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個(gè)或二個(gè)軸的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置，可以用于檢測(cè)角速度。本系統(tǒng)使用的陀螺儀是日本村田公司基于壓電陶瓷技術(shù)的單軸陀螺儀ENC-03，其實(shí)物如圖2-9所示。其利用了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的物體會(huì)受到科里奧利力的原理，在器件中利用壓電陶瓷做成振動(dòng)單元。當(dāng)旋轉(zhuǎn)器件時(shí)

67、會(huì)改變振動(dòng)頻率，從而反映出物體旋轉(zhuǎn)的角速度。ENC-03體積小，響應(yīng)快，功耗低，成本低。采用模擬量輸出，檢測(cè)范圍可達(dá)±300deg/sec(度每秒)，靈敏度為0.67mv/deg/sec。</p><p>　　圖2-9 陀螺儀ENC-03</p><p>　　陀螺儀直接輸出角速度，將角速度進(jìn)行積分便可以得到角度。陀螺儀輸出數(shù)據(jù)噪聲較少，短時(shí)誤差較小。由于陀螺儀及其放大電路存在溫漂

68、，且需要經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算，最終會(huì)導(dǎo)致誤差累積，致使檢測(cè)結(jié)果出錯(cuò)。因此不能直接利用陀螺儀的積分結(jié)果作為可以直接使用的角度[7][8]。</p><p><b>　　2.5.2加速度計(jì)</b></p><p>　　加速度計(jì)是一種利用檢測(cè)質(zhì)量塊的慣性力來(lái)測(cè)量載體加速度的敏感裝置，分為線加速度計(jì)和角加速度計(jì)。本系統(tǒng)采用飛思卡爾公司利用MEMS微電子技術(shù)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的三軸加速度計(jì)MMA

69、7260。MMA7260是一種低g值、小量程線性加速度傳感器，在不運(yùn)動(dòng)或不受重力作用（0g）條件下輸出為1.65V，最大測(cè)量范圍0-6g，靈敏度最高可到800mV/g，MMA7260實(shí)物如圖2-10所示。</p><p>　　圖2-10 加速度計(jì)MMA7260</p><p>　　加速度計(jì)可以直接通過(guò)反三角函數(shù)計(jì)算出小車傾斜角度，但是其對(duì)震動(dòng)非常敏感，輸出值中含有大量噪聲，而且其輸出的值是

70、小車運(yùn)動(dòng)加速度與重力加速度的混合數(shù)據(jù)。因此不能直接使用。</p><p>　　通過(guò)示波器連接陀螺儀與加速度計(jì)可以觀察其輸出波形，如圖2-11。</p><p>　　圖2-11 陀螺儀與加速度計(jì)輸出波形（1為陀螺儀輸出，2為加速度計(jì)輸出）</p><p>　　2.5.3基于卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)融合</p><p>　　雖然單一慣性傳感器就可以單獨(dú)進(jìn)

71、行姿態(tài)角度檢測(cè)，但是其準(zhǔn)確性主要取決于慣性器件的精度，單從改善硬件結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝方面難以有很大幅度的提高，并且系統(tǒng)誤差會(huì)隨時(shí)間累積，不適用于長(zhǎng)時(shí)間姿態(tài)檢測(cè)。由于利用單一傳感器（陀螺儀或加速度計(jì)）難以獲得相對(duì)真實(shí)的小車姿態(tài)角度，出于對(duì)系統(tǒng)測(cè)量姿態(tài)角度準(zhǔn)確性的考慮，本系統(tǒng)采用多傳感器信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，以獲得最佳姿態(tài)角度[9][10]。</p><p>　　多傳感器數(shù)據(jù)融合是一個(gè)非常重要的研究?jī)?nèi)容，只有采用最適合的融合

72、方法才能獲得最佳的效果。常用數(shù)據(jù)融合方法有加權(quán)平均法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。加權(quán)平均法是一種簡(jiǎn)單的融合方法，故其運(yùn)算精度很差；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法具有很好的非線性和有效的自學(xué)能力，但是其涉及的模型構(gòu)建，參數(shù)優(yōu)化非常復(fù)雜，不適用于本系統(tǒng)。國(guó)外有研究者根據(jù)加速度計(jì)與陀螺儀的互補(bǔ)特點(diǎn)研究出互補(bǔ)濾波算法，其簡(jiǎn)單明了并且具有較好的實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性，能夠較好的融合出姿態(tài)角度?？紤]到本系統(tǒng)使用的慣性器件特性較差，互補(bǔ)濾波在本質(zhì)原理上不能彌補(bǔ)器件特性缺陷，故本系統(tǒng)采用卡爾

73、曼濾波算法作為數(shù)據(jù)融合方法。</p><p>　　1960年卡爾曼發(fā)表了著名的用遞歸方法解決離散數(shù)據(jù)線性濾波問(wèn)題的論文。隨著數(shù)字計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，卡爾曼濾波器得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用和推廣，尤其是在自主或協(xié)助導(dǎo)航領(lǐng)域。卡爾曼濾波器與大多數(shù)濾波器不同之處，在于其是一種純粹的時(shí)域?yàn)V波器，不需要像低通濾波器等頻域?yàn)V波器那樣，需要在頻域設(shè)計(jì)再轉(zhuǎn)換到時(shí)域?qū)崿F(xiàn)。對(duì)于解決大部分的問(wèn)題，是最優(yōu)，效率最高甚至是最有用的?？柭鼮V波器的

74、廣泛應(yīng)用已經(jīng)超過(guò)30年，包括機(jī)器人導(dǎo)航，控制，傳感器數(shù)據(jù)融合甚至在軍事方面的雷達(dá)系統(tǒng)以及導(dǎo)彈追蹤等等。近年來(lái)更被應(yīng)用于計(jì)算機(jī)圖像處理，例如頭臉識(shí)別，圖像分割，圖像邊緣檢測(cè)等等[11][12]。 </p><p>　　卡爾曼濾波器是一種高效率的遞歸濾波器(自回歸濾波器)，能夠從一系列的不完全及包含噪聲的測(cè)量中，估計(jì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)?？柭鼮V波器不僅能估計(jì)信號(hào)的過(guò)去和當(dāng)前狀態(tài)，甚至能估計(jì)將來(lái)的狀態(tài)。</p>

75、<p>　　卡爾曼濾波器解決離散時(shí)間控制過(guò)程的一般方法，首先定義模型線性隨機(jī)微分方程。假設(shè)卡爾曼濾波模型k時(shí)刻真實(shí)狀態(tài)是從（k-1）時(shí)刻推算出來(lái)，如下式</p><p><b>　　(式2-15)</b></p><p>　　式2-15中，是k時(shí)刻狀態(tài)；A是k-1時(shí)刻狀態(tài)變換模型；B是作用在控制器向量上的輸入控制模型；是過(guò)程噪聲，假設(shè)其均值為零，協(xié)方差矩

76、陣符合多元正態(tài)分布：</p><p>　　～ (式2-16)</p><p>　　k時(shí)刻對(duì)應(yīng)真實(shí)狀態(tài)的測(cè)量滿足下式：</p><p><b>　　(式2-17)</b></p><p>　　式2-17中是觀測(cè)模型

77、，將真實(shí)控制映射為觀測(cè)空間；為觀測(cè)噪聲，其均值為零，協(xié)方差矩陣符合正態(tài)分布：</p><p>　　～ (式2-18)</p><p>　　初始狀態(tài)以及每一時(shí)刻的噪聲都認(rèn)為是互相獨(dú)立的。</p><p>　　卡爾曼濾波器的操作主要包括兩個(gè)階段：預(yù)估與更新。

78、在預(yù)估階段，濾波器根據(jù)上一時(shí)刻狀態(tài)，估算出當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)；在更新階段，濾波器利用當(dāng)前時(shí)刻觀測(cè)值優(yōu)化在預(yù)估階段獲得的測(cè)量值，以獲得一個(gè)更準(zhǔn)確的新估計(jì)值[11][12][13]。</p><p>　　卡爾曼濾波器迭代過(guò)程如下：</p><p>　　1. 先驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)：</p><p><b>　　(式2-19)</b></p><

79、p>　　2. 先驗(yàn)估計(jì)誤差協(xié)方差</p><p>　　(式2-20) 3. 卡爾曼增益</p><p><b>　　(式2-21)</b></p><p><b>　　4. 后驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)</b></p><p><b>　　(式2-22)</b></p>

80、;<p>　　5. 后驗(yàn)誤差協(xié)方差</p><p><b>　　(式2-23)</b></p><p><b>　　在上面各式中：</b></p><p>　　A：作用在上的n階矩陣；</p><p>　　B：作用在控制向量上的n×1輸入控制矩陣；</p>&l

81、t;p>　　H：m×n觀測(cè)模型矩陣，將真實(shí)狀態(tài)空間映射為觀測(cè)空間；</p><p>　　：n×n先驗(yàn)估計(jì)誤差協(xié)方差矩陣；</p><p>　?。簄×n后驗(yàn)估計(jì)誤差協(xié)方差矩陣；</p><p>　　Q：n×n過(guò)程噪聲協(xié)方差矩陣；</p><p>　　R：m×m過(guò)程噪聲協(xié)方差矩陣；</

82、p><p><b>　　I：n階單位矩陣；</b></p><p>　?。簄×m矩陣，稱之為卡爾曼增益。</p><p><b>　　2.6本章小結(jié)</b></p><p>　　本章闡述了小車平衡控制原理與所需條件。對(duì)小車進(jìn)行受力分析，構(gòu)建了小車的運(yùn)動(dòng)模型并提出了小車的運(yùn)動(dòng)微分方程。解算出小車

83、運(yùn)動(dòng)控制的傳遞函數(shù)并利用自動(dòng)控制理論進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了兩輪自平衡車的PID控制器。介紹了本系統(tǒng)使用的姿態(tài)檢測(cè)傳感器，分析了其性能特點(diǎn)。簡(jiǎn)述了卡爾曼濾波器原理及其設(shè)計(jì)流程。</p><p>　　3.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：可靠、高效、簡(jiǎn)潔。可靠性是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一要求，因此對(duì)電路設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)都進(jìn)行了電磁兼容性設(shè)計(jì)，做好各部分的接地、屏蔽、濾波等工作，

84、將高速數(shù)字電路與模擬電路分開(kāi)，從而大大提高本系統(tǒng)工作的可靠性。系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)模塊組成：MC9S12XS128單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、電源模塊硬件設(shè)計(jì)、傾角傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、速度檢測(cè)電路。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖如下：</p><p>　　圖3-1 硬件設(shè)計(jì)總體框圖</p><p>　　3.1 MC9SXS128單片機(jī)介紹</p><p>　　本系統(tǒng)

85、采用飛思卡爾公司（原摩托羅拉公司半導(dǎo)體事業(yè)部）的MC9S12XS128單片機(jī)為控制核心。該單片機(jī)是飛思卡爾公司的16位HCS12系列單片機(jī)，簡(jiǎn)稱S12系列。MC9S12XS128是HCS12系列的增強(qiáng)型產(chǎn)品。基于S12的CPU內(nèi)核，可達(dá)到25MHz的HCS12的2~5倍性能。S12X系列增加了172條額外指令，可以執(zhí)行32位計(jì)算（共280條指令），總線頻率最高可以達(dá)到40MHz，改進(jìn)了中斷處理能力。S12X系列的CPU采用復(fù)雜指令集CI

86、SC架構(gòu)，集成了中斷控制器，有豐富的尋址方式。中斷有7個(gè)優(yōu)先級(jí)并且內(nèi)核支持優(yōu)先級(jí)的調(diào)度，最多可有117個(gè)中斷源，S12X可訪問(wèn)最多8M的全部存儲(chǔ)空間(包括片內(nèi)和片外資源)[14][15]。</p><p>　　MC9S12XS128采用的是5V供電，芯片內(nèi)部含有128K的Flash存儲(chǔ)器，8K的RAM，8K的EEPROM，兩路串行通信接口（SCI），一路串行外圍接口（SPI），八路定時(shí)器通道，兩個(gè)（80引腳為一個(gè)

87、）八路可調(diào)轉(zhuǎn)換精度的A/D口，八路PWM輸出，91（80引腳為59）個(gè)離散數(shù)字I/O口[15][16]，一個(gè)MSCAN模塊.其功能模塊如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 MC9S12XS128單片機(jī)功能模塊示意圖</p><p>　　一、MC9S12XS128主要特性</p><p>　　1）最高總線速度從25MHz提升到40MHz；</p>

88、<p>　　2）增加GPage、RPage、EPage頁(yè)面寄存器，可以實(shí)現(xiàn)8MB存儲(chǔ)空間連續(xù)尋址；</p><p>　　3）以內(nèi)存代替EEPROM,編程簡(jiǎn)化；</p><p>　　4）電源供電簡(jiǎn)化，不在需要外部PLL濾波電路器件；</p><p>　　5）A/D從10位精度升為12位精度；</p><p>　　6）內(nèi)部有容錯(cuò)、糾

89、錯(cuò)功能ECC；</p><p>　　7）CCR由8位改為16位，增加3個(gè)優(yōu)先級(jí)位，將中斷源細(xì)分為7級(jí)；</p><p>　　8）SPI支持16位操作；</p><p>　　9）有存儲(chǔ)保護(hù)設(shè)置、定時(shí)器功能增強(qiáng)，有四通道24位周期中斷定時(shí)器；</p><p>　　10）不再支持模糊邏輯指令。</p><p><b&g

90、t;　　二、通用寄存器</b></p><p>　　S12X系列單片機(jī)的中央處理器CPU12X由以下三部分組成：算術(shù)邏輯單元ALU、控制單元和寄存器組。通常外部采用8MHz或16MHz石英晶體振蕩器，可通過(guò)內(nèi)部鎖相環(huán)使片內(nèi)總線速度提升到最高120MHz，尋址方式有16種。內(nèi)部寄存器組中的寄存器、堆棧指針和變址寄存器均為16位。CPU12X的累加器D是16位的，但是可分別看成兩個(gè)8位累加器A和B。CPU

91、12X的寄存器組包括如下5個(gè)部分。</p><p>　?。?）16為累加器D或8位累加器A和B；</p><p>　?。?）16位變址寄存器X和Y，用來(lái)處理地址，可分別用于源地址和目的地址指針型變量運(yùn)算；</p><p>　?。?）16位堆棧指針寄存器SP；</p><p>　?。?）16位程序計(jì)數(shù)器PC，運(yùn)行時(shí)指向下一條指令的地址；<

92、/p><p>　?。?）16位條件碼寄存器CCR，在這一點(diǎn)上和CPU12不同，要特別注意。</p><p><b>　　三、功能模塊</b></p><p>　　MC9S12XS128所擁有的增強(qiáng)型輸入捕捉定時(shí)器的特性如下：</p><p>　?。?）16位自由運(yùn)行時(shí)鐘，8位預(yù)分頻因子；</p><p&g

93、t;　?。?）8個(gè)16位輸入捕捉或輸出比較；</p><p>　?。?）1個(gè)16位脈沖累加器。</p><p>　　MC9S12XS128的脈寬調(diào)制模塊（PWM）可設(shè)置成8通道8位或者4通道16位，占空比可編程，脈沖波形可中心對(duì)齊或邊緣對(duì)齊。</p><p>　　MC9S12XS128的異步串行接口SCI有兩個(gè)，可選用普通非歸零碼或IrDA1.4歸零碼；支持LIN總

94、線協(xié)議；有一個(gè)同步串行外設(shè)接口SPI。</p><p>　　MC9S12XS128的J、H和P口有位輸入信號(hào)跳變沿產(chǎn)生中斷、喚醒CPU功能，根據(jù)封裝，最多可有20個(gè)帶位中斷的引腳。</p><p>　　MC9S12XS128時(shí)鐘發(fā)生器可使用范圍2~16MHz的外部晶振頻率，通過(guò)鎖相環(huán)頻率合成器產(chǎn)生更高單片機(jī)內(nèi)部總線周期。當(dāng)外部時(shí)鐘缺失時(shí)，內(nèi)部提供自時(shí)鐘方式，直到外部時(shí)鐘恢復(fù)為止。</

95、p><p>　　3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用Freescale公司16位單片機(jī)MC9S12XS128為控制器，最小系統(tǒng)原理圖如圖3-3所示，主要包括單片機(jī)供電、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路以及BDM接口電路。由于單片機(jī)內(nèi)部集成了PIM、TIM、PWM、SPI、SCI、ECT、CAN、AD、PIT等模塊，因此使用方便。</p><p>　　圖3-3 單片

96、機(jī)最小系統(tǒng)原理圖 </p><p>　　時(shí)鐘電路可使用的外部晶振頻率范圍是2~16MHz，還可利用MCU內(nèi)部的5位可編程分頻因子，做2~64分頻，使之產(chǎn)生頻率非常穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。通過(guò)控制器內(nèi)的鎖相環(huán)電路（PLL）進(jìn)行倍頻，其壓控振蕩器（VCO）的頻率最高可達(dá)80MHz。對(duì)于S12XS芯片，允許使用的最高總線頻率為40MHz。本設(shè)計(jì)中采用的外部晶振為16MHz，電容C11和C12為外部時(shí)鐘的起振電容。</p&

97、gt;<p>　　在單片機(jī)進(jìn)入睡眠模式時(shí)，時(shí)鐘振蕩電路輸入端被內(nèi)部200歐姆的下拉電阻拉低，振蕩電路停振，從而達(dá)到省電的目的。圖3-4為單片機(jī)最小系統(tǒng)時(shí)鐘電路原理圖。</p><p>　　圖3-4 時(shí)鐘電路原理圖</p><p>　　單片機(jī)的外部復(fù)位電路可以使用按鈕和電容構(gòu)成，也可以使用專門的復(fù)位芯片?？紤]到產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)型，本設(shè)計(jì)中采用了由電阻電容構(gòu)成的簡(jiǎn)易復(fù)位電路，如圖3-5所

98、示。加電后，由于電容的充電時(shí)間，RESET保持低電平，單片機(jī)復(fù)位；一段時(shí)間后，電容電量充滿，RESET端輸出高電平，此時(shí)單片機(jī)運(yùn)行。手動(dòng)復(fù)位時(shí)，按下手動(dòng)復(fù)位按鈕，RESET端保持低電平，單片機(jī)復(fù)位；釋放手動(dòng)復(fù)位按鈕后，RESET端輸出高電平，單片機(jī)工作。</p><p>　　圖3-5 復(fù)位及BD M接口電路</p><p>　　BDM接口是S12單片機(jī)用來(lái)連接BDM調(diào)試器的，BDM接頭通常

99、設(shè)計(jì)為6針的雙排插頭，其中4個(gè)引腳分別為VDD,RESET,GND和BKGD(BACKGROUND)，另外2個(gè)針腳為空（如圖3-5）。</p><p>　　3.3 電源管理模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　可靠的電源方案是整個(gè)硬件電路穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。電源模塊由若干相互獨(dú)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(jìn)一步減小單片機(jī)的5V電源噪聲，可以單獨(dú)使用一個(gè)5V的穩(wěn)

100、壓芯片，與其它接口電路分開(kāi)。</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)需要3種電源：</p><p>　　(1) 7.2V電源，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電。</p><p>　　(2) 5V電源，為單片機(jī)及相關(guān)外設(shè)供電。</p><p>　　(3) 3.3V電源，為陀螺儀及加速度計(jì)供電。</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)電源來(lái)源為7.2V鎳氫電池

101、，5V電源由LM2940提供。LM2940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(jī)供電。3.3V電源采用AMS1117。電機(jī)供電直接采用電池供電如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 電源模塊電路圖</p><p>　　3.4傾角傳感器信號(hào)調(diào)理電路</p><p>　　3.4.1加速度計(jì)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本

102、系統(tǒng)采用的加速度計(jì)是飛思卡爾公司三軸加速度計(jì)MMA7260。該加速度傳感器是一種低g值的傳感器，輸出信號(hào)很大，不需要再進(jìn)行放大。通過(guò)GSEL1和GSEL2腳選擇靈敏度，本系統(tǒng)設(shè)置其靈敏度為800mv/g。電路如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 加速度計(jì)MMA260接口電路圖</p><p>　　3.4.2陀螺儀放大電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)采用

103、的陀螺儀為村田公司ENC-03，是一種低成本壓電式陀螺儀，其輸出為0.67mv/deg/sec。主控單片機(jī)MC9S12XS128的ATD模塊最高采集精度為12bit，AD基準(zhǔn)電壓為3.3V，計(jì)算得出最小分辨電壓為0.8mv，因此不能直接對(duì)陀螺儀輸出信號(hào)進(jìn)行采集，需要設(shè)計(jì)放大電路。系統(tǒng)采用LM358（圖3-8 U1B）設(shè)計(jì)負(fù)反饋放大電路，放大倍數(shù)為，即放大10倍。同時(shí)，由于陀螺儀輸出會(huì)隨溫度而變化，影響系統(tǒng)傾角檢測(cè)精度，為抑制陀螺儀溫漂，

104、需要在放大電路中設(shè)計(jì)零點(diǎn)偏置電壓調(diào)整電路。本系統(tǒng)中利用LM358(圖3-8 U1A)構(gòu)成電壓跟隨器，輸出電壓通過(guò)電位器調(diào)節(jié)，使零點(diǎn)偏置電壓保持在陀螺儀工作電壓的一半（1.65V），這樣可以有效抑制陀螺儀的溫漂，放大電路如圖3-8。</p><p>　　圖3-8 ENC-03放大電路</p><p>　　姿態(tài)檢測(cè)模塊實(shí)物圖如圖3-9所示。</p><p>　　圖3-9

105、 姿態(tài)檢測(cè)模塊實(shí)物圖</p><p>　　3.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　為降低機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)的難度，本系統(tǒng)采用傳統(tǒng)四驅(qū)車模加以改裝作為本設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)。車模動(dòng)力來(lái)自后輪兩個(gè)直流電機(jī)。由于兩輪自平衡車在平衡過(guò)程中需要不斷前后運(yùn)動(dòng)調(diào)整車身姿態(tài)，因此需要電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)雙向轉(zhuǎn)動(dòng)。為此，系統(tǒng)采用兩片專用半橋驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960構(gòu)成全橋式驅(qū)動(dòng)電路。由單片機(jī)的PWM模塊產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)波形

106、，通過(guò)改變PWM占空比實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速功能。</p><p>　　3.5.1驅(qū)動(dòng)芯片介紹</p><p>　　BTS7960 是Infineon公司一款針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的完全集成的大電流半橋芯片，是NovalithICTM 系列的成員之一，封裝中集成了一個(gè)P通道的高邊場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)N通道的低邊場(chǎng)效應(yīng)管以及一個(gè)集成控制電路。由于上橋臂采用的是P通道開(kāi)關(guān)，對(duì)于電荷泵的需求也就不復(fù)存在，因此電

107、磁干擾減至了最小。由于內(nèi)部集成控制電路具有邏輯電平輸入功能，因此與單片機(jī)的接口電路就比較方便，且該集成驅(qū)動(dòng)電路還具有電流檢測(cè)診斷、轉(zhuǎn)換率調(diào)整、死區(qū)時(shí)間生成以及過(guò)熱、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流和短路保護(hù)等功能。</p><p><b>　　基本特點(diǎn)如下： </b></p><p>　?。?）在時(shí)導(dǎo)通電阻的典型值為； </p><p>　?。?）低靜態(tài)電流，

108、在時(shí)的典型值僅為； </p><p>　　（3）與主動(dòng)續(xù)流相結(jié)合的脈寬調(diào)制能力高達(dá)25kHz； </p><p>　　（4）開(kāi)關(guān)電流限制降低功耗的過(guò)流保護(hù)； </p><p>　　（5）最大驅(qū)動(dòng)電流為43A； </p><p>　?。?）具有電流檢測(cè)能力的狀態(tài)標(biāo)志診斷； </p><p>　?。?）具有鎖定行為的過(guò)熱關(guān)

109、斷； </p><p>　　（8）過(guò)壓鎖定； </p><p><b>　　（9）欠壓關(guān)斷； </b></p><p>　?。?0）帶有邏輯電平輸入的驅(qū)動(dòng)電路； </p><p>　　（11）用于優(yōu)化電磁干擾的可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換率。</p><p>　　3.5.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</p>&

110、lt;p>　　采用兩片BTS7960構(gòu)成全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3-10所示。</p><p>　　由于電機(jī)啟動(dòng)瞬間電流很大，會(huì)將整個(gè)系統(tǒng)電壓拉低，造成其他設(shè)備如單片機(jī)的工作不正常，因此要在電池電源輸入側(cè)加上較大濾波電容。</p><p>　　如圖3-10所示，PWM1和PWM2分別為兩個(gè)半橋的控制端口。當(dāng)PWM1為高電平，PWM2為低電平時(shí)，MOTOR1口即輸出高電壓，MOTOR2輸出

111、低電壓，此時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)PWM1為低電平而PWM2為高電平時(shí)，MOTOR1口即輸出低電壓，MOTOR2輸出高電壓，此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。通過(guò)改變PMW1和PWM2端口的驅(qū)動(dòng)波形占空比改變輸出端電壓，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的目的。</p><p>　　圖3-10全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　3.6速度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　兩輪自平衡小車的原理是利用地面對(duì)車輪的摩

112、擦力抵消車受到的重力，在本系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)中有兩路閉環(huán)控制，即傾角閉環(huán)控制以及速度閉環(huán)控制。為實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制，必須加入速度檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制中的反饋環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)測(cè)速模塊采用OMRON(歐姆龍)公司500線增量式旋轉(zhuǎn)編碼器如圖3-11。</p><p>　　圖3-11旋轉(zhuǎn)編碼器</p><p>　　3.6.1編碼器介紹</p><p>　　編碼器內(nèi)部為一個(gè)中心

113、有軸的光電碼盤(pán)，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號(hào)組合成A、B、C、D,每個(gè)正弦波相差90度相位差（相對(duì)于一個(gè)周波為360度），將C、D信號(hào)反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào)；另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。</p><p>　　由于A、B兩相相差90度，可通過(guò)比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過(guò)零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位如圖3-12。&

114、lt;/p><p>　　圖3-12 編碼器A、B相輸出波形</p><p>　　本系統(tǒng)用OMRON旋轉(zhuǎn)編碼器相關(guān)參數(shù)如表3-1所示：</p><p>　　表3-1 編碼器參數(shù)表</p><p>　　3.6.2 編碼器電路設(shè)計(jì)</p><p>　　由于編碼器采用集電極開(kāi)路輸出，輸出波形為矩形波，因此編碼器外圍電路較為簡(jiǎn)單。需