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《基于kinetis k60的智能平衡車控制系統(tǒng)設計》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在學術論文-天天文庫。
1、基于KinetisK60的智能平衡車控制系統(tǒng)設計 摘要文章旨在設計并實現(xiàn)基于飛思卡爾KinetisK6032位微控制器的一種可以實現(xiàn)電磁導航的智能平衡車控制系統(tǒng)。詳細分析了系統(tǒng)動力學模型，介紹了各硬件模塊及其軟件控制算法。最后通過系統(tǒng)綜合測試，車模在自平衡的姿態(tài)下能夠快速、平穩(wěn)地通過各種路徑。 【關鍵詞】飛思卡爾智能車電磁導航自平衡 雙輪直立行駛電磁平衡車作為導航車的一種形式，是由動力學理論、自動控制理論與實際研究相結合的一種先進技術，不僅能夠在自動循跡倉儲物流、執(zhí)勤巡邏、基地訓練等方面作為短距離代步工具，而且可以在醫(yī)療緊急救援、穿越狹窄道路搶險以及
2、軍事偵查與運輸供給等方面進行應用。在教育部承辦的大學生智能車競賽的背景下，本文的智能平衡車控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)在寬度為45CM，中間鋪設引導線即一根通有20KHz交流電銅線的賽道上，以兩輪自平衡的姿態(tài)自動識別路徑、控制車體行進速度和方向?！ ?智能平衡車整體控制策略 控制系統(tǒng)總共包括5大模塊：電源管理模塊、姿態(tài)傳感模塊、測速傳感模塊、路徑識別模塊和電機驅動模塊。 如圖1所示，單片機通過采集陀螺儀和加速度計的輸出信號，經過軟件互補濾波后獲得智能車的當前姿態(tài)，計算得到角度偏差。通過AD采集電磁傳感模塊的模擬量輸出信號，計算得到位置偏差。通過正交解碼獲取測速傳感
3、模塊的兩輪速度信號，計算得到速度偏差。最終進行各閉環(huán)的PID調節(jié)并融合電機PWM輸出。同時為了實時對智能車進行監(jiān)控，系統(tǒng)引入了藍牙模塊，在車模實際運行中持續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，通過上位機顯示，獲取車模的實時姿態(tài)方便參數(shù)調試?！ ?智能平衡車模型建立 通過分析平衡車的動力學特征，可以獲得系統(tǒng)在平衡瞬間的力學方程，平衡車主體部分由中間類似倒立擺的車體和兩側的車輪構成，依靠電機施加在左右輪軸上的力矩維持平衡。對車體進行簡化得到如圖2所示的模型?！ 〖僭O平衡車為一剛體，左右兩輪對稱分布，并且不考慮車輪與地面的打滑情況，對左輪進行受力分析得平衡方程： 其中，ml：左輪質量
4、（kg）；xL：左輪相對地面的位移（m）；fL：地面提供左輪的摩擦力（N）；HL：車身作用于左輪的水平作用力（N）；JL：左輪轉動慣量（kgm2）；uL：左輪旋轉角度（rad）；CL：左輪轉矩（N?m）；R：輪子半徑（m）?！ ☆愃谱筝啠糜逸喥胶夥匠蹋骸 〖僭O：ml=mr=m1，JL=JR=J1 對車體在YoZ平面上擺動瞬間進行受力分析，得水平方向平衡方程： 其中，m0：車體質量（kg）；xx：車體水平方向位移（m）；x0：車輪平均位移（m）；H：車體重心與車輪軸心距離（m）；θ：車體垂直方向偏轉角度（rad）?！ 〈怪狈较蚱胶夥匠獭 ∑渲?，xz：車
5、體垂直方向位移（m）；VL：車體作用于左輪的垂直作用力（N）；VR：車體作用于右輪的垂直作用力（N）?！ ∑渲?，J0：車體（倒立擺）轉動慣量（kgm2）?！ 嚹Ｔ赬oY平面轉動時進行分析，得平衡方程： 其中，J2：整個車身轉動慣量（kgm2）；ω：車體水平方向偏轉角度（rad）；L：兩個車輪軸心間距離（m）?！ ‘敠冉嵌群苄r，令sinθ=θ，cosθ=1，并忽略高次項，最終得到系統(tǒng)數(shù)學模型： 3智能平衡車硬件電路設計 3.1電源管理模塊 系統(tǒng)的電力來源于一塊7.2V、2A/h的鎳鎘電池，為了在保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎上盡可能地減小電源模塊之
6、間的干擾，采用以下電源管理策略： ?。?）為了降低電源電路復雜度，統(tǒng)一使用5V供電。選用LDO低壓差線性穩(wěn)壓器TPS76850?！ 。?）電機模塊單獨供電。MCU等模塊能夠長時間處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，相互之間干擾較小，而電機模塊驅動電機時電池會發(fā)生較大的壓降和電流，容易產生對其它模塊的干擾。 3.2姿態(tài)傳感模塊 智能平衡車控制系統(tǒng)的核心在于對車模平衡狀態(tài)的控制，為維持車模平衡需要實時監(jiān)控車模在X軸和Z軸的姿態(tài)。姿態(tài)傳感包括MMA8451加速度計和MPU3050陀螺儀兩個部分。均為數(shù)字型傳感器，具有穩(wěn)定、靈敏度高以及零溫漂等特點?！ ?.3測速傳感模塊 系
7、統(tǒng)使用兩個512線3相增量式Mini編碼器分別采集車模左右兩輪的速度及其方向。該編碼器體積小、質量輕、信號采集速度快，完全能?蚵?足系統(tǒng)快速進行速度控制的要求?！ ?.4路徑識別模塊 選用10mH工型電感作為電磁感應線圈，再并聯(lián)6.8nF電容構成RLC并聯(lián)諧振檢波電路，實現(xiàn)道路電磁中心線的檢測。由于采集到的正弦信號的振幅較小且衰減速度很快，不便于MCU的AD采集，所以選用一款單電源反饋型雙核放大器AD8032進行信號的放大工作?！ ?.5電機驅動模塊 電機驅動模塊采用全橋電路，由HIP4082驅動4片N型LR7843MOS管構成，用MC34063提供1
8、2V升壓供電。LR7843具有極低的導通電阻與柵極阻抗，額定工作電
