直立式雙輪自平衡運(yùn)動小車

1、長春工業(yè)大學(xué)電子設(shè)計(jì)大賽題目：直立式雙輪自平衡運(yùn)動小車（C）編號： 日期： 摘要車模直立行走比賽是要求仿照兩輪自平衡電動車的行進(jìn)模式，讓車模以兩個后輪驅(qū)動進(jìn)行直立行走。近年來，兩輪自平衡電動車以其行走靈活、便利、節(jié)能等特點(diǎn)得到了很大的發(fā)展。國內(nèi)外有很多這方面的研究，也有相應(yīng)的產(chǎn)品。在電磁組比賽中，利用了原來C型車模雙后輪驅(qū)動的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡行走。相對于傳統(tǒng)的四輪行走的車模競賽模式，車模直立行走在車體檢測、控制算法等方面提出了更高的要求。本設(shè)計(jì)采用ATMEL公司推出的MEGA16 單片機(jī)作為“雙輪直立自平衡小車”的微控制器，用以處理任意時(shí)刻傳感器的數(shù)據(jù)；通過軟件濾波和自動控制理論算法使得小

2、車能夠在任意時(shí)刻進(jìn)行自我調(diào)整以達(dá)到平衡狀態(tài)。該系統(tǒng)的傳感器采用角度傳SCA61T，和陀螺儀采集小車車身的水平狀態(tài)值和小車的加速度值。并且采用了LM298雙橋大功率集成驅(qū)動芯片來驅(qū)動電機(jī)，無線遙控來控制小車的數(shù)據(jù)傳輸。依靠這些設(shè)備和可靠的硬件設(shè)計(jì)，我們使用了一套PID 閉環(huán)控制算法和比較穩(wěn)定的卡爾曼濾波算法，使得整個硬件結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)能順利匹配。從而使得我們的小車能保持直立自平衡狀態(tài)。模糊PID控制具有良好控制效果的關(guān)鍵是要有一個完善的控制規(guī)則。但由于模糊規(guī)則是人們對過程或?qū)ο竽：畔⒌臍w納，對高階、非線性、大時(shí)滯、時(shí)變參數(shù)以及隨機(jī)干擾嚴(yán)重的復(fù)雜控制過程，人們的認(rèn)識往往比較貧乏或難以總結(jié)完整的經(jīng)

3、驗(yàn)，這就使得單純的模糊控制在某些情況下很粗糙，難以適應(yīng)不同的運(yùn)行狀態(tài)，影響了控制效果。常規(guī)模糊控制的兩個主要問題在于：改進(jìn)穩(wěn)態(tài)控制精度和提高智能水平與適應(yīng)能力。在實(shí)際應(yīng)用中，往往是將模糊控制或模糊推理的思想，與其它相對成熟的控制理論或方法結(jié)合起來，發(fā)揮各自的長處，從而獲得理想的控制效果。關(guān)鍵字：自平衡小車 ATMEGA16單片機(jī) 直立行走 模糊PID一、總體設(shè)計(jì)方案1.1設(shè)計(jì)思路：題目要求設(shè)計(jì)并制作一個單軸兩輪自平衡小車。對于小車能保持平衡，直立行走。系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)置有測量傾角和加速度的模塊。可以采用角速度傳感器和陀螺儀測量出小車的傾角和加速度，并把數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)處理。經(jīng)過單片機(jī)處理數(shù)據(jù)和進(jìn)行相

4、應(yīng)的補(bǔ)償后，通過控制電機(jī)從而使小車保持在平衡狀態(tài)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖1.2方案論證與比較微控制器選型方案一：采用目前市場比較主流性能穩(wěn)定價(jià)格低廉的AT8952單片機(jī)，AT8952單片機(jī)內(nèi)部資源8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器、全靜態(tài)操作：0Hz33MHz 、 32個可編程I/O口線、三個16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器八個中斷源、全雙工UART串行通道、低功耗空閑和掉電模式、掉電后中斷可喚醒、看門狗定時(shí)器、雙數(shù)據(jù)指針、和一路可編程的PWM 輸出。我們的系統(tǒng)一共用到兩路獨(dú)立的PWM輸出，AT89S52只有一路硬件PWM 這樣我們必須考慮用軟件或硬件再產(chǎn)產(chǎn)生一路可調(diào)的PWM 才能滿足我

5、們系統(tǒng)的兩個輪子調(diào)速的需求。考慮到系統(tǒng)整體的程序構(gòu)思是一個很耗費(fèi)CPU運(yùn)行時(shí)間，所以我們排除了軟件中斷的方式在產(chǎn)生一路PWM ，節(jié)省了CPU 的程序運(yùn)行時(shí)間的開銷。值得我們考慮的只能用其他電機(jī)控制芯片+AT8952來控制我們的兩個電機(jī)，后來我們考慮了NEC-SSOP30 這個電機(jī)控制芯片來產(chǎn)生兩路PWM，該芯片是一顆強(qiáng)大的直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的控制芯片，里面有三路可編程的直流電機(jī)PWM 輸出通道和三路步進(jìn)電機(jī)控制通道，和單片機(jī)通信接口，有SPI 總線接口和 USAP 串口通信，但是考慮到NEC SSOP30 芯片的指令周期是1.4MS ，不能實(shí)時(shí)性的更新系統(tǒng)的PWM 這樣就會造成整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定

6、。最重要的一點(diǎn)還有考慮到該系統(tǒng)是程序里面運(yùn)行的是一些比較復(fù)雜的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，對微控制器的內(nèi)核得必須既有可靠穩(wěn)定快速處理浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的性能，51內(nèi)核是以馮諾依曼總線結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)的處理和傳輸，因?yàn)槲覀兌贾涝摻Y(jié)構(gòu)使不能同時(shí)進(jìn)取指令和舉行指令的，最終取得指令周期加長，程序的實(shí)時(shí)性不能體現(xiàn)。還要51內(nèi)核的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算能力也不理想。方案二：采用微芯公司的PIC18F4520 微控制器作為核心控制單元， PIC18F4520 是PIC家族里的一款比較高性能的單片機(jī)，內(nèi)部有三個可編程中斷，4個輸入電平變化中斷，2個捕獲/ 比較/PWM/(ECCP)模塊，有兩通道PWM 等。PIC 系列單片機(jī)內(nèi)部采用精簡指令集大大提

7、高程序執(zhí)行效率，內(nèi)部采用哈弗總線結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以取指令和執(zhí)行指令，大大提高程序的運(yùn)行速度，PIC18F4520 內(nèi)部不僅有一個8MHZ 的始終振蕩器，可以給系統(tǒng)能夠提供內(nèi)部時(shí)鐘，還有一個PLL 倍頻電路，可以給用戶擴(kuò)大系統(tǒng)頻率，從而使得程序的實(shí)時(shí)性加強(qiáng)。PIC 系列單片機(jī)是一個性能分類比較講究的單片機(jī)家族，對于PIC18F4520 這款單片機(jī)的浮點(diǎn)數(shù)處理能力不是很理想，考慮到PIC專門用做浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的16位單片機(jī)選型，但是價(jià)格非常的昂貴方案三：采用因特爾梅公司的增強(qiáng)型的MEGA16高性能、低功耗的 8 位AVR&reg微處理器。MEGA16先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu) 131 條指令大多數(shù)指令執(zhí)行

8、時(shí)間為單個時(shí)鐘周期32 個8 位通用工作寄存器全靜態(tài)工作工作于16 MHz 時(shí)性能高達(dá)16 MIPS 只需兩個時(shí)鐘周期的硬件乘法器兩個具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC 四通道PWM 8路 10 位ADC 等內(nèi)部資源。ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個通用工

9、作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元 (ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC微控制器最高至 10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。兩輪小車自平衡是一個閉環(huán)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，對軟件和硬件性能要求都比較嚴(yán)格。軟件部分只要是開微控制單元進(jìn)行處理，處理的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性都還嚴(yán)格的要求。因?yàn)榭紤]到硬件濾波的成本和靈活性，我們選擇了采用軟件濾波的方式，這樣我們程序里面就加重了比較復(fù)雜的軟件濾波算法，再加上PID 閉環(huán)平衡控制算法，這兩個算法都是用浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，這樣就要考慮到我們的微控制器的性能了。51系列單片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和指令集來看顯

10、然不如PIC18F4520 ，但是 PIC18F4520 對于浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算并非是這款芯片的特點(diǎn)，其浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算肯定不夠理想。考慮到成本問題我們排除了采用高價(jià)格的16位專門處理浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的PIC 微控制芯片，最終我們考慮 MEGA16 這款價(jià)格和性能都比較合適的微控制芯片，因?yàn)椴还茉趦r(jià)位，還是內(nèi)核結(jié)構(gòu)，和運(yùn)算效率 MEGA16 都強(qiáng)AT89S52 和PIC18F4520 所以最終整個系統(tǒng)我們采用MEGA16 作為整體的控制處理單元。角度檢測量方案選擇方案一：采用加速度傳感器，在擺動過程中通過作用力造成傳感器內(nèi)部敏感元件發(fā)生變形，通過變形量并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出，得到相應(yīng)的加速度信號。 方案二：采

11、用電位器式傳感器來檢測擺桿擺動時(shí)偏離中心位置的角度，電位器是一種把機(jī)械的線位移和角度位移輸入量轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻和電壓輸出的傳感原件。利用它能相對較好的檢測出角度變化。方案三：采用旋轉(zhuǎn)式編碼器實(shí)現(xiàn)角度檢測功能，旋轉(zhuǎn)增量式編碼器的特點(diǎn)是每產(chǎn)生一個輸出脈沖信號就對應(yīng)于一個增量位移，它能夠產(chǎn)生與位移增量等值的脈沖信號，其作用是提供一種對連續(xù)位移量離散化或增量化以及位移變化（速度）的傳感方法。方案比較：，加速度傳感器雖然精度高、性能平穩(wěn)，不過相對于其它檢測元件它的性能價(jià)格比偏低。電位器式傳感器優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、精度高、總量輕、輸出信號大、性能穩(wěn)定。但是 其缺點(diǎn)是要求輸入量大、電刷與電

12、阻元件之間容易磨損。旋轉(zhuǎn)式編碼器原理構(gòu)造簡單、易于實(shí)現(xiàn)；機(jī)械平均壽命長，可達(dá)到幾萬小時(shí)以上；分辨率高；抗干擾能力較強(qiáng)，信號傳輸距離較長，可靠性較高。基于以上分析，擬定方案三。1.3 控制電機(jī)方案選擇方案一：采用直流電機(jī)，通過PWM電路進(jìn)行控制，已達(dá)到調(diào)節(jié)平板的目的方案二：采用步進(jìn)電機(jī)，使用脈沖信號還進(jìn)行控制，當(dāng)來一個脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)0.9個角度，使用脈沖頻率來控制轉(zhuǎn)速。方案比較：鑒于直流電動機(jī)動力性能好但是轉(zhuǎn)速難以平穩(wěn)控制，而步進(jìn)電機(jī)雖然動力性能不好但是轉(zhuǎn)速平穩(wěn)容易控制，為了在擺桿擺動過程中能夠更平穩(wěn)的控制平板，保證板上硬幣不落下來,決定用方案二。二、電路原理分析電磁組比賽要求車模在直立的狀態(tài)下以

13、兩個輪子著地沿著賽道進(jìn)行比賽，相比四輪著地狀態(tài)，車?？刂迫蝿?wù)更為復(fù)雜。為了能夠方便找到解決問題的辦法，首先將復(fù)雜的問題分解成簡單的問題進(jìn)行討論。為了分析方便，根據(jù)比賽規(guī)則，假設(shè)維持車模直立、運(yùn)行的動力都來自于車模的兩個后車輪，后輪轉(zhuǎn)動由兩個直流電機(jī)驅(qū)動。因此從控制角度來看，由控制車模兩個電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向及速度實(shí)現(xiàn)對車模的控制。車模運(yùn)動控制任務(wù)可以分解成以下三個基本任務(wù)：（1） 控制車模直立：通過控制兩個電機(jī)正反向運(yùn)動保持車模直立狀態(tài)；（2） 控制車模速度：通過控制兩個電機(jī)轉(zhuǎn)速速度實(shí)現(xiàn)車模行進(jìn)控制；（3） 控制車模轉(zhuǎn)向：通過控制兩個電機(jī)之間的轉(zhuǎn)動差速實(shí)現(xiàn)車模轉(zhuǎn)向控制。以上三個任務(wù)都是通過控制車模兩個

14、后輪驅(qū)動電機(jī)完成的?？梢约僭O(shè)車模的電機(jī)可以虛擬地被拆解成三個不同功能的驅(qū)動電機(jī)，它們同軸相連，分別控制車模的直立平衡、前進(jìn)行走、左右轉(zhuǎn)向。直流電機(jī)的力矩最終來自于電機(jī)驅(qū)動電壓產(chǎn)生的電流。因此只要電機(jī)處于線性狀態(tài)，上述拆解可以等效成三種不同控制目標(biāo)的電壓疊加之后，施加在電機(jī)上。在上述三個任務(wù)中保持車模直立是關(guān)鍵。由于車模同時(shí)受到三種控制的影響，從車模直立控制的角度，其它兩個控制就成為它的干擾。因此在速度、方向控制的時(shí)候，應(yīng)該盡量平滑，以減少對于直立控制的干擾。上述三個控制各自獨(dú)立進(jìn)行控制，它們各自假設(shè)其它兩個控制都已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定。比如速度控制時(shí)，假設(shè)車模已經(jīng)在直立控制下保持了直立穩(wěn)定，通過改變電機(jī)

15、的電壓控制車模加速和減速。車模在加速和減速的時(shí)候，直立控制一直在起作用，它會自動改變車模的傾角，移動車模的重心，使得車模實(shí)現(xiàn)加速和減速。圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖三、單元模塊設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)主控模塊電路圖如圖3所示。為ATmega16最小系統(tǒng)模塊。圖3 ATmega16最小系統(tǒng)3.2 陀螺儀加速度計(jì)陀螺儀加速度計(jì)核心部件是旋轉(zhuǎn)式編碼器，它是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器， 光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機(jī)同軸，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電

16、子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號；通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90º的兩路脈沖信號。電路接線圖如圖4.圖 4 陀螺儀加速度計(jì)3.3電機(jī)驅(qū)動模塊L298是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V，2A以下的電機(jī)。L298有兩路電源，分別為邏輯電源和動力電源，ENA與ENB直接接入6V邏輯電源也就是說兩個電機(jī)時(shí)刻都工作在使能狀態(tài)，控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)只有通過J1與J2兩個接口。圖 5 電

17、機(jī)驅(qū)動電路圖四、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初始化上電運(yùn)行車模直立檢測啟動車模直立控制啟動車模方向控制讀取速度設(shè)定開始速度控制發(fā)送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)車模是否跌倒車模停止運(yùn)行整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C語言，對ATmega16單片機(jī)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。程序編寫運(yùn)用Keil軟件，起到一個向?qū)ё饔?，決定每一個時(shí)刻該做什么。系統(tǒng)各種功能的完成主要通過調(diào)用各單元模塊的子程序來實(shí)現(xiàn)。程序的流程圖見圖6否是 圖6 程序流程圖五、程序調(diào)試與參數(shù)整定前面給出的算法程序存在很多參數(shù)，雖然從理論上可以對這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。但是由于受到車模模型精度的影響，計(jì)算所得到的參數(shù)也只能夠作為參考值調(diào)試的起始范圍。實(shí)際優(yōu)化參數(shù)需要通過一定的工程步驟最

18、終確定，這個過程稱為參數(shù)整定。為了保證調(diào)試順利，一般需要配合上位機(jī)串口監(jiān)控程序，能夠?qū)崟r(shí)顯示程序運(yùn)行采集到的各種數(shù)據(jù)，通過曲線或者數(shù)字顯示出來，幫助確定一些待定參數(shù)，判斷程序BUG，加快程序調(diào)試，確定控制參數(shù)的優(yōu)化數(shù)值。俗話說，欲善其工，必先利其器。開發(fā)制作相應(yīng)的輔助調(diào)試工作，不僅可以大大加快調(diào)試的進(jìn)度，同時(shí)也會鍛煉同學(xué)們解決工程問題的能力。下面給出程序調(diào)試的一般步驟，作為參考。（1）陀螺儀和加速度計(jì)零偏調(diào)試：獲得這兩個傳感器零點(diǎn)的偏移量。保持車模直立靜止。讀取兩個傳感器AD 轉(zhuǎn)換值，記錄下來，作為后面程序中的零偏常量。（2）測試車模直立判斷程序和跌倒判斷程序。此時(shí)禁止車模直立控制環(huán)節(jié)，通過讀

19、取加速度計(jì)的數(shù)值，判斷車模是否直立或者跌倒，通過外部的LED 顯示結(jié)果。一般情況下，車模直立要求，車模傾角在正負(fù)10度之內(nèi)，保持2秒鐘。車模跌倒判斷車模的傾角大于45度。（3）車模直立控制調(diào)試：只啟動車模直立控制，調(diào)整兩個控制參數(shù)：傾角比例和角速度比例，使得車模能夠穩(wěn)定的直立。此時(shí)由于沒有速度控制，車?？赡軙粋€方向加速行駛?？梢酝ㄟ^微調(diào)加速度計(jì)的零偏值，減小車模在直立的時(shí)候朝一個方向的加速度。盡量控制車模靜止。（4）車模速度控制調(diào)試：啟動車模的直立控制和速度控制，調(diào)節(jié)速度控制的 PI 參數(shù)，使得車模能夠靜止穩(wěn)定在一個地點(diǎn)。然后再給定一個設(shè)定速度，車模可以穩(wěn)定的前行或者后退。（5）車模方向控

20、制調(diào)試：啟動車模的直立控制、速度控制和方向控制。將車模放在電磁導(dǎo)引跑道上，車模可以穩(wěn)定在跑道上運(yùn)行。六、作品實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)(1) 靠小車前后的自平衡調(diào)整運(yùn)動，保持車體平臺垂直傾斜角在范圍內(nèi)，且能連續(xù)維持動態(tài)平衡3分鐘以上。(2)系統(tǒng)在自平衡狀態(tài)中，由外力使車體平臺垂直傾斜角達(dá)到或，此時(shí)當(dāng)外力消除后，小車靠前后的自平衡調(diào)整運(yùn)動，在1分鐘之內(nèi)車體平臺恢復(fù)到原來的直立動態(tài)平穩(wěn)狀態(tài)。(3)系統(tǒng)在保持動態(tài)自平衡狀態(tài)下，小車向前移動1m，在運(yùn)動過程中始終保持車體平臺動態(tài)直立平衡，其所需時(shí)間不大于2分鐘。(4)系統(tǒng)具有控制前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎的功能。(5)系統(tǒng)具有平臺傾斜角檢測及顯示功能，其顯示值與轉(zhuǎn)角儀所指示的刻度值具有相符性。(6)系統(tǒng)在保持自平衡狀態(tài)下，能實(shí)現(xiàn)小車旋轉(zhuǎn)一周運(yùn)動。七、結(jié)束語本文使用了盡量少的理論知識介紹了車模直立行走的參考控制方案。通過這個方案，同學(xué)們會覺得制作直立行走的車模參加競賽不是困難的事情，而是相當(dāng)容易和有趣的過程。通過制作，同學(xué)們可以基本上實(shí)現(xiàn)完成比賽的車模。完成之后，同學(xué)們會逐步發(fā)現(xiàn)該方案的不足之處，進(jìn)而萌發(fā)改進(jìn)的想法，去查閱更多的相關(guān)文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)先進(jìn)的現(xiàn)代控制理論知識，提高自己的理論水平和實(shí)踐能力，最終產(chǎn)生對于自動控制專業(yè)的強(qiáng)烈興趣，這正