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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上長春工業(yè)大學(xué)電子設(shè)計大賽題目：直立式雙輪自平衡運(yùn)動小車（C）編號： 日期： 專心-專注-專業(yè)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，用以處理任意時刻傳感器的

2、數(shù)據(jù)；通過軟件濾波和自動控制理論算法使得小車能夠在任意時刻進(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，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、大時滯、時變參數(shù)以及隨機(jī)干擾嚴(yán)重的復(fù)雜控制過程

3、，人們的認(rèn)識往往比較貧乏或難以總結(jié)完整的經(jīng)驗，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)計方案1.1設(shè)計思路：題目要求設(shè)計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?？梢圆捎媒撬俣葌鞲衅骱屯勇輧x測量出小車的傾角和加速度，并把數(shù)據(jù)傳

4、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1.2.1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位定時器/計數(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

5、考慮用軟件或硬件再產(chǎn)產(chǎn)生一路可調(diào)的PWM 才能滿足我們系統(tǒng)的兩個輪子調(diào)速的需求?？紤]到系統(tǒng)整體的程序構(gòu)思是一個很耗費(fèi)CPU運(yùn)行時間，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

6、時性的更新系統(tǒng)的PWM 這樣就會造成整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定。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，因為我們都知道該結(jié)構(gòu)使不能同時進(jìn)取指令和舉行指令的，最終取得指令周期加長，程序的實時性不能體現(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P

7、WM 等。PIC 系列單片機(jī)內(nèi)部采用精簡指令集大大提高程序執(zhí)行效率，內(nèi)部采用哈弗總線結(jié)構(gòu)，同時可以取指令和執(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，從而使得程序的實時性加強(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。MEGA

8、16先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu) 131 條指令大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期32 個8 位通用工作寄存器全靜態(tài)工作工作于16 MHz 時性能高達(dá)16 MIPS 只需兩個時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 位定時器/ 計數(shù)器一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器 /計數(shù)器具有獨(dú)立振蕩器的實時計數(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)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，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

9、矛盾。AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個通用工作寄存器。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鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨(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)確性和實時性都還嚴(yán)格的要求。因為考慮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

10、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?？紤]到成本問題我們排除了采用高價格的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 這款價格和性能都比較合適的微控制芯片，因為不管在價位，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。1.2.2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

11、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：采用電位器式傳感器來檢測擺桿擺動時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)式編碼器實現(xiàn)角度檢測功能，旋轉(zhuǎn)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

12、大、性能穩(wěn)定。但是 其缺點(diǎn)是要求輸入量大、電刷與電阻元件之間容易磨損。旋轉(zhuǎn)式編碼器原理構(gòu)造簡單、易于實現(xiàn)；機(jī)械平均壽命長，可達(dá)到幾萬小時以上；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?；谝陨戏治觯瑪M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。

13、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

14、實現(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，假

15、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)的電壓控制車模加速和減速。車模在加速和減速的時候，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 陀螺儀加速度計陀螺儀加速度計核心部件是旋轉(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，光柵盤與電動機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號；通過計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