Design-and-implementation-of-two-wheeled-self-balancing-vehicle.doc
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1、摘要近年来,两轮自平衡机器人的研究取得了快速的发展,两轮自平衡小车的动力学系统是一种多变量、非线性、强耦合的系统,是检验各种控制方法的典型装置。同时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点,必将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。本文主要介绍了基于Freescale MC9S12XS128单片机为控制核心的两轮自平衡小车系统,以验证经典的PID控制在动态平衡系统上的控制效果。在该系统上,姿态传感器采用MPU6050,单片机在采集到姿态数据后,采用Kalman滤波器对得到的数据进行融合,并在此基础上分析不同滤波方法的效果。借助增量式PID控制PWM的输出和利用TB6612FNG控制电机的转
2、向以及转速,从而实现了小车的自平衡控制。关键词:两轮自平衡系统; Kalman滤波; 数据融合; HCS12; MPU6050 . Design and implementation of two-wheeled self-balancing vehicleAbstractIn recently years, the research of two-wheeled self-balancing robot has made a rapid development, the dynamics system of two-wheeled self-balancing vehicle is a mu
3、ltivariable, nonlinear, strong coupling system, and also ,its a typical devices to test a variety of control methods. Because of it has a small, flexible movement and zero turning radius. It will have a wide range of applications in military and civilian fields.In the article, it describes the Frees
4、cale MC9S12XS128 microcontroller-based control of two-wheeled self-balancing vehicle system to verify the classic PID control system in the dynamic balance . On this system, It used MPU6050 as the car state sensing system, and it used the Kalman filter to fuse the obtained angle data, and analyzed t
5、he effect of different filtering methods based on this. With incremental PID control PWM output and use TB6612FNG steering and speed control motors, enabling the cars self-balance control finally.Keywords: two-wheeled self-balancing system; the Kalman filter;HCS12;MPU6050目录摘要2第1章 绪论61.1 两轮自平衡机器人概述61
6、.2 两轮自平衡机器人的发展61.3 方案论证及选择71.4 关键技术及目标81.4.1 姿态数据处理81.4.2 控制算法的实现91.4.3 目标9第2章 两轮自平衡小车的原理102.1 小车的直立控制102.2 倾角与角速度的测量132.3 本章小结14第3章 电路设计153.1 整体电路框图153.2 电源电路163.3 单片机最小系统173.3.1 S12单片机简介173.3.2 MC9S12XS128最小系统电路173.4 MPU6050183.4.1 MPU6050简介183.4.2 I2C通信193.5 电机驱动电路193.5.1 驱动芯片介绍193.5.2 驱动电路设计203.
7、6 速度传感器电路213.6.1 光电编码器介绍213.7 无线遥控电路213.7.1 Pt2262简介213.7.2 Pt2262应用223.8 液晶显示电路233.8.1 LCD1602简介233.8.2 LCD1602电路233.9 车模控制电路全图243.10 本章小结26第4章 系统软件设计274.1 控制算法介绍274.2 S12单片机初始化284.2.1 锁相环初始化284.2.2 PWM模块初始化284.2.3 串行通信初始化284.2.4 外部中断初始化294.3 PID控制的实现294.4 姿态数据处理294.4.1 角度计算函数294.4.2 滤波方法分析与选择294.5
8、 小车的运动控制334.6 无线遥控334.7 本章小结33第5章 系统调试355.1 软件调试工具355.2 系统调试工具355.3 系统硬件电路调试355.4 姿态检测模块调试355.5 Kalman滤波器参数的整定375.6 PID参数的整定375.7 本章小结38第6章 总结396.1 总结与展望39参考文献41附录43附录一 系统主控板43附录二 系统核心源码44致谢47第1章 绪论两轮自平衡系统最早可追溯到上世纪80年代,日本电气通信大学的山藤一雄教授提出的基于倒立摆原理的自动站立机器人的模型被认为是两轮自平衡小车的构思起源。本章主要介绍两轮自平衡小车的起源与发展、研究意义以及国内
9、外的研究现状,并依此提出了本论文研究的主要内容。1.1 两轮自平衡机器人概述两轮自平衡小车是一种只有两个车轮且能在没有人为因素干预的条件下,能够自动保持的平衡的这样一个装置。自平衡小车系统的运作原理主要是飞机平衡的原理,也就是车辆本身的自动平衡能力1。自平衡小车系统通过陀螺仪和加速度计模块来检测小车的加速度以及角速度,MCU采集相关数据并进行运算,产生与当前系统姿态所适应的信号来驱动电机运动以达到平衡的效果。例如当系统向前倾时,经过姿态检测传感器检测出当前系统的姿态,MCU提取有关数据以后进行计算,驱动电机以一个合适的加速度向前运动,以此来使系统处于平衡状态。相反的,如果系统向后倾斜,那么小车
10、将会以某个速度向后运动,保证小车处于直立状态。虽然两轮自平衡系统提出的时间并不是很长,可是由于对两轮自平衡系统的研究有很重要的意义而得到了快速的发展。两轮自平衡小车的数学模型类似一阶倒立摆,它是一个典型多变量、存在严重非线性、非自治不稳定系统。这个系统是检验各种控制方法的理想平台。例如我们可以用经典的PID控制对其进行控制2,也可使用模糊控制理论对系统进行控制。另外两轮自平衡系统具有体积小、硬件易实现、运动灵活、零转弯半径等特点,这将会使其在未来得到广泛的应用。1.2 两轮自平衡机器人的发展本世纪初,由于控制理论趋于完善,而且电子技术得到飞跃式的发展,实现两轮自平衡系统成为可能,于是该项技术迅
11、速引起了研究机构和机器人爱好者极大地关注。出于不同的应用与目的,不同设计方案和控制策略的自平衡系统相继诞生。在两轮自平衡系统的研究领域,国外的研究起步较国内早,国外已经有公司做出了非常成熟的产品,而且其技术己经达到了一个很高的水平,国内的研究相对较少。下面分别介绍国内外一些主要的两轮自平衡系统的发展:1. SEGWAY HT2001年,美国的科学家Kamen发明了一种新型的两轮交通工具“Segway”3 。这种交通工具节能环保、方便快捷以及更为实用,而且由于其体积较一般的交通工具要小很多,所以在解决交通拥堵方面具有得天独厚的优势。图1.2.1为Segway公司生产的一种两轮自平衡电动车。Seg
12、way的运作基本原理主要是建立在“动态稳定”的基本原理之上的,它通过高精度的陀螺仪和其他角度传感器来检测车身的姿态,并通过高速的中央处理器发出指令,驱动电机以保持车身出于直立的平衡状态。图 1.2.1 Segway2. Nbot由美国科学家David P.Anderson研发的两轮自平衡机器人Nbot也是非常成功的应用例子。Nbot通过使用惯性传感器和电机编码器来实现系统的平衡。3. Unibot2007年,Unibot诞生于加州大学圣地亚哥分校,Unibot是两轮自平衡系统的最新研究成果,采用了独轮自平衡机器人控制,结合了倒立摆和惯性系统的驱动方式。在Unibot这个系统中,采用了陀螺仪和加
13、速度计作为姿态检测传感器,在车轮方向上利用电机驱动控制,在垂直于车轮方向上,利用不平衡体旋转来提供补偿力矩。虽然目前只实现了倾角小范围控制,但具有很重要的指导意义4。国内在这方面的研究主要成果有:台湾国立中央大学在2004年利用模糊控制实现了两轮自平衡小车的控制5。在2009年,北京工业大学电子工程与智能信息研究所研制出了“原人3号”机器人6,它是一种基于红外姿态检测的两轮自平衡机器人。通过设置机器人上部的红外传感器检测其与地面的距离,得出姿态信号,经过相应的处理之后,产生驱动信号。这种方法简单易行且有优良的控制效果。1.3 方案论证及选择由于两轮自平衡系统完美的综合了控制技术与电子技术知识,
14、对加深所学的理论知识有很大的帮助。实现两轮自平衡系统的主要方式就是通过单片机采集姿态传感器的数据来控制电机的运动。姿态传感器选用数字输出的六轴姿态传感器MPU6050。方案上的选择主要就是对MCU、电机驱动单元及控制算法的选择。首先,常见的单片机有8位的51单片机、8位的ATmega16单片机以及16位的Freescale单片机。那么两轮自平衡小车系统有三种方案可供选择。方案一,选用51单片机作为主控芯片。51单片机时目前发展最成熟的单片机,且型号众多、价格相对较低。可是由于其片内资源较少,而两轮自平衡小车系统需要A/D转换模块、PWM模块。如果选用51单片机的话,会增加外围电路的设计难度,而
15、且由于51单片机的运行速度相对较慢,这将导致系统的整体性能不高。方案二,选用ATmega16单片机作为两轮自平衡系统的主控芯片。虽然ATmega16单片机片内集成了A/D等资源,而且运算速度相比51单片机会快很多。但是由于ATmega16单片机只有32路I/O端口,若使用该单片机作为主控芯片,会导致I/O资源紧张。所以也不建议采用ATmega16作为主控芯片。方案三,使用Freescale的16位单片机S12XS128作为主控芯片。Freescale单片机运用在汽车控制方面有独特的优势,片内资源丰富、运算速度快、而且有非常丰富的I/O端口资源,便于两轮自平衡小车系统的扩展。因此,以Freesc
16、ale的16位S12单片机作为两轮自平衡系统的主控芯片是极其合适的7。第二,在两轮自平衡小车系统中,单机驱动单元影响着整个系统的性能。如果电机驱动单元效率高而且功率较大,那么整个系统的性能就得到了保障。常见的电机驱动芯片有L298N及东芝半导体公司的TB6612FNG等。本小车系统选用TB6612FNG芯片驱动电机8。TB6612FNG与L298N相比,除了具有L298N所具有的可以同时驱动两个直流电机之外,还有以下三个优势: TB6612FNG所能提供的驱动电流比L298N更大。 TB6612FNG的效率比L298N更高。 TB6612FNG有很小的发热量。因此选择TB6612FNG作为电机
17、驱动芯片是不错的选择。第三,两轮自平衡车属于本质不稳定系统,因此其实现的平衡是一种动态平衡。在遇到外界干扰如何快速恢复,保持自平衡等问题是控制算法需要考虑的问题。传统的PID控制完全可以满足两轮自平衡车的控制系统要求。因此核心控制算法采用PID控制即可。综上所述,整个系统的实施方案就是以MPU6050来获得姿态参数,然后送给Freescale S12单片机进行相关计算处理9,产生PWM信号。通过电机驱动芯片TB6612FNG驱动电机完成相应的控制要求,最终使小车能够直立。1.4 关键技术及目标1.4.1 姿态数据处理两轮自平衡小车系统中,姿态数据的处理包括角度、角速度等数据的采集,数据的转换与
18、计算以及相应的滤波处理。姿态数据的处理之于两轮自平衡小车系统犹如地基之于建筑。如果不能获得正确的姿态数据,那么系统将不能达到期望的控制要求。而且在两轮自平衡小车系统中,对数据的准确性、实时性要求非常高。所以在两轮自平衡小车系统中,能够获取正确的、具有控制意义的姿态数据也就成功了一半。在得到姿态数据之后,由于得到的数据中包含了一些噪声,所以并不能直接用来控制小车。需要进行相应的滤波处理。常用的软件滤波手段主要有平均值滤波、互补滤波以及Kalman滤波。其中,Kalman滤波效果最好,可是原理较难,单片机运算时间较长。互补滤波实现比较容易,但是效果不及Kalman滤波10。关于滤波的方法在后面的章
19、节中将详细介绍。1.4.2 控制算法的实现PID控制算法的实现又可以分为增量式PID和位置式PID。其中,增量式PID和位置式PID相比,具有运算量小的特点,非常适合在单片机中实现。PID控制算法也可以做的很深很广,但是在两轮自平衡小车系统中,只需要简单入门算法即可承担控制任务。PID算法的实现根据增量式PID的表达式书写即可11。1.4.3 目标本文主要介绍制作两轮自平衡小车系统的实现原理及方法,目标是:(1) 完成两轮自平衡小车的硬件设计与程序设计。(2) 能够通过无线遥控器对小车的运动方式进行控制,并将其运动状态显示出来。(3) 软件滤波的实现及结果分析,并分析Kalman滤波与互补滤波
20、的优劣势。(4) PID控制算法的实现。(5) 检测PID的控制效果,并在理论上与其他控制方法进行对比分析。第2章 两轮自平衡小车的原理本章主要介绍两轮自平衡小车系统的原理,结合相应的数学公式说明及简单的推导过程说明自平衡小车实现直立的原理及可操作性。2.1 小车的直立控制在杂技表演里经常可以看到这样的表演,一个杂技演员可以用头或者身体的其他某个部位支起一个物体,并能使物体保持垂直于地面的状态。这也是两轮自平衡小车的最直观的体验,所以控制车模直立的直观经验来自于人们的生活经验。一个人通过练习可以让一支笔在手指尖上保持直立,不过这需要两个条件:其一,手指可移动。其二,人眼可看到笔的运动趋势。其实
21、,人眼、大脑和手构成了一个负反馈系统。同理,两轮自平衡小车系统的直立控制也是通过负反馈来实现的。由于小车的两个轮子有两个共轴电机连接,所以小车只能在轮子滚动的方向上发生倾斜,那么这个时候只要控制车轮向与倾斜方向相同的方向运动,就可以抵消小车的倾斜趋势,也就可以使小车保持平衡了13,如图2.1.1所示。图 2.1.1 小车保持平衡示意图车体垂直车轮保持静止车体向左倾斜,车轮向左加速运行车体向右倾斜,车轮向右加速运行 。 当车体发生倾斜时,为了确定车轮的运动方式,下面对小车的模型进行分析。两轮自平衡小车系统可以看作是一个底部可移动的单摆模型14,通过对比单摆系统的特性进行对比分析。我们都知道单摆能
22、够稳定在竖直位置,其条件有两个:(1) 系统受到的回复力与位移相反;(2) 系统受到的阻尼力与速度的方向相反。正是因为有了则两个力的存在,所以单摆才能稳定在平衡位置。同理,如果小车要像单摆那样能够保持平衡,那么小车也要满足上面的两个条件。下面分析一下小车处于直立状态时的受力情况。如下图所示:图 2.1.3 小车受力分析mmgsin-mgsinF=mgl图 2.1.2 小车受力分析通过分析可以发现,两轮自平衡小车之所以不能稳定在竖直方向上,是因为当小车偏离平衡位置时,小车受到的回复力与位移方向相同,而不是相反。因此,当小车偏离平衡位置时,小车会加速偏离平衡位置直到倒下。如果要通过控制是小车能够像
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