雙輪自平衡小車(chē).docx

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1、項(xiàng)目名稱(chēng)：兩輪自平衡小車(chē)本設(shè)計(jì)采用微控制器，通過(guò)軟件濾波和自動(dòng)控制理論算法使得小車(chē)達(dá)到平衡狀態(tài)。系統(tǒng)的傳感器采用角度傳感SCA61T，和陀螺儀采集小車(chē)車(chē)身的水平狀態(tài)值和小車(chē)的加速度值。并且采用了LM298雙橋大功率集成驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，無(wú)線(xiàn)遙控來(lái)控制小車(chē)的數(shù)據(jù)傳輸。依靠這些可靠的硬件設(shè)計(jì)，使用PID閉環(huán)控制算法和卡爾曼濾波算法，使得整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)能順利匹配。從而使得小車(chē)能保持直立自平衡狀態(tài)。詳細(xì)介紹：?jiǎn)屋S兩輪自平衡小車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)摘要：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(chē)”的微控制器，用以處理任意時(shí)刻傳感器的數(shù)據(jù)；通過(guò)軟件濾波和自動(dòng)控制

2、理論算法使得小車(chē)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(chē)車(chē)身的水平狀態(tài)值和小車(chē)的加速度值。并且采用了LM298雙橋大功率集成驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)...(查看更多)電機(jī)，無(wú)線(xiàn)遙控來(lái)控制小車(chē)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(gè)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(chē)能保持直立自平衡狀態(tài)。關(guān)鍵詞：微控制器卡爾曼濾波PID閉環(huán)控制一、總體設(shè)計(jì)方案（1）設(shè)計(jì)思路題目要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)單軸兩輪自平衡小車(chē)。對(duì)于小車(chē)能保持平衡，直立行走。系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)置有測(cè)量?jī)A角和加速度的

3、模塊?？梢圆捎媒撬俣葌鞲衅骱屯勇輧x測(cè)量出小車(chē)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(guò)單片機(jī)處理數(shù)據(jù)和進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償后，通過(guò)控制電機(jī)從而使小車(chē)保持在平衡狀態(tài)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)（2）方案論證與比較1.微控制器選型方案一：采用目前市場(chǎng)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(chǔ)器、全靜態(tài)操作：0Hz～33MHz、32個(gè)可編程I/O口線(xiàn)、三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器八個(gè)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(mén)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，A

4、T89S52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(mǎn)足我們系統(tǒng)的兩個(gè)輪子調(diào)速的需求?？紤]到系統(tǒng)整體的程序構(gòu)思是一個(gè)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(kāi)銷(xiāo)。值得我們考慮的只能用其他電機(jī)控制芯片+AT8952來(lái)控制我們的兩個(gè)電機(jī)，后來(lái)我們考慮了NEC-SSOP30這個(gè)電機(jī)控制芯片來(lái)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(xiàn)接口和USAP串口通信，但是考慮到NEC–SSOP30芯

5、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(huì)造成整個(gè)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(duì)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(xiàn)結(jié)構(gòu)對(duì)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(zhǎng)，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(gè)可編程中斷，4個(gè)輸入電平變化中斷，2個(gè)捕獲/比較/PW

6、M/(ECCP)模塊，有兩通道PWM等。PIC系列單片機(jī)內(nèi)部采用精簡(jiǎn)指令集大大提高程序執(zhí)行效率，內(nèi)部采用哈弗總線(xiàn)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(gè)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(gè)PLL倍頻電路，可以給用戶(hù)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(gè)性能分類(lèi)比較講究的單片機(jī)家族，對(duì)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(zhuān)門(mén)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®微

7、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)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期–32個(gè)8位通用工作寄存器–全靜態(tài)工作–工作于16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS–只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器–兩個(gè)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(gè)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AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器