两轮自平衡小车智能控制研究中期检查报告书.doc
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1、两轮自平衡小车智能控制研究中期检查报告书项目编号ky2014-131学科分类号(二级) 510.10 云南师范大学大学生科研训练基金项目中期检查报告书项目名称: 两轮自平衡小车智能控制研究 项目类型: 一般项目 主 持 人: 赵庆波 起止年月: 2014年12月 结题日期: 2015年12月 联系电话: 18387150533 云南师范大学教务处填 表 说 明一、填写项目中期检查报告书前,请先查阅云南师范大学大学生科研训练基金管理办法和相关通知。二、项目中期检查报告书各项内容,必须实事求是,表达要明确严谨,并要求用打印。对于填写不合要求、内容含糊不清、字迹潦草者,不予受理。三、项目类型:选填重
2、点项目或一般项目。四、项目类别:选填自然科学或社会科学。五、封面的项目编号与申请书上的编号一致。六、打印格式:(一)纸张为A4大小,双面打印;(二)文中小标题:五号、黑体;(三)栏内正文:五号、宋体。七、填写中期检查报告书一式二份(至少含一份原件),其中一份提交教务处实践教学科,另一份留学院存档。课题名称两轮自平衡小车智能控制研究项目类别自然科学项目编号ky2014-131填表时间2015年5月20日主 持 人赵庆波主要成员赵庆波、余坦藏、聂浩南一、项目进展及取得的成果情况(一)项目进展成果情况本研究从2014年10月份就开始了计划时间范围内的相关学习及制作,到目前为止已经学习了STC12C5
3、A60S2单片机,并且能够熟练的掌握运用相关的应用软件,同时对双环PID控制及卡尔曼滤波、涉及的各种传感器、AD转换等知识有了深入的理解,硬件电路也制作完成了,程序设计编写实现了初步的完成。1. 在指导老师的指导下针对该项目的相关文献查阅和资料的收集与学习;时间:2014年 10月至2015年1月。看老师给的相关资料,并利用学校的图书馆资源查阅文献及相关材料,与老师同学讨论学习相关知识。通过这一阶段的学习对STC12C5A60S2单片的基础知识有了一定的掌握,单片机技术是软件和硬件结合的技术,学习了的一些关于单片机开发的软件,还学习了电机驱动模块、陀螺仪加速计、HC-06蓝牙模块等大量的单片机
4、拓展功能实验器材的功能结构。对双环PID控制及卡尔曼滤波算法都有了全面的掌握。2.在指导老师的指导下开始着手项目的研发和学习;(1).根据指导老师的指导及指引,进行两轮自平衡智能控制小车的硬件制作;时间:2015年3月 至 2015年4月。 内容及取得相应的成果:硬件结构基本完成,能够实现直立行走。(2) 根据指导老师的指导及指引,对两轮自平衡智能控制小车的程序设计编写;时间:2015年4月 至 2015年5月。内容及取得相应的成果:可是实现一部分的功能,但程序设计还不成熟,系统运行不稳定,仍需改进。 (二)阶段性成果情况 通过以上比较深入的理论学习,以及在我们着手项目的研发,经过几个月的不断
5、改良,我们初步实现了两轮自平衡智能控制小车的直立行走。长时间认真的理论知识学习为后期研发制作打下了坚实的理论基础,两轮自平衡智能控制小车硬件结构都已经完成,且性能良好,程序设计编写也有了初步的实现,但由于程序设计编写的时间较短,所以还不够成熟,智能控制两轮小车不能稳定运行,从中还有许多问题,我们会在后期的研究中完善,具体成果如下:1 两轮自平衡智能控制小车的硬件部分(1) 速度检测模块设计两轮自平衡小车的原理是利用地面对车轮的摩擦力抵消车受到的重力,在本系统的控制环节中有两路闭环控制,即倾角闭环控制以及速度闭环控制。为实现速度的闭环控制,必须加入速度检测装置实现速度闭环控制中的反馈环节。本系统
6、测速模块采用OMRON(欧姆龙)公司500线增量式旋转编码器。编码器内部为一个中心有轴的光电码盘,其上有环形通、暗的刻线,有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差(相对于一个周波为360度),将C、D信号反向,叠加在A、B两相上,可增强稳定信号;另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。由于编码器采用集电极开路输出,输出波形为矩形波,因此编码器外围电路较为简单。需要在信号输出端接入一个上拉电阻,即可将信号提供给单片机采集数据。(2) 驱动电路采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单,加速能力强,采用由达林顿
7、管组成的H型桥式电路,用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下,精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下,效率非常高,H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制,电子管的开关速度很快,稳定性也极强,是一种广泛采用的PWM调速技术。现市面上很多这种芯片,我选了LM298N,L298N是SGS公司的产品,内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器,即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器,接收标准TTL逻辑电平信号,可驱动46V、2A以下的电机。 由于电力电子器件只工作在开关状态,主电路损耗较小,装置效率较高。根据以上考虑,以及本设计中受控电机的
8、容量和直流电机转速的发展方向,本设计采用了H型单极型可逆PWM变换器件LM298N进行电机调速。具体原理图如下:图1 电机驱动电路原理图(3) CPU微控制器CPU微控制器采用STC12C5A60S2单片机,微控制器作为整个系统的核心部分,主要负责对传感器采集的信号进行实时处理,但其计算量较大,普通的单片机不能满足使用要求。本系统选用了高速STC12C5A60S2单片机作为微处理器,具有丰富的I/O接口、有双串口。其功耗低、超强抗干扰能力、指令代码完全兼容传统单片机8051,能够满足系统的设计需求,在单片机上增加复位电路、时钟电路等外围电路构成单片机最小系统,让单片机工作起来,然后通过编写程序
9、对单片机进行控制,进而单片机对传感器采集信号进行处理。在程序设计编写方面十分容易,且成本较低,也可以很好的实现本设计。具体STC12C5A60S2单片机原理图如下:图2 STC12C5A60S2单片机原理图(4) 陀螺仪传感器模块陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度。本设计选用村田公司出品的ENC-03系列的加速度传感器。它利用了旋转坐标系中的物体会受到科里奥利力的原理,在器件中利用压电陶瓷做成振动单元。当旋转器件时会改变振动频率从而反映出物体旋转的角速度。在车模上安装角速度传感器,可以测量车模倾斜角速度,再对倾斜角速度进行积分就得到了车模的倾角。由于陀螺仪输出的是车模的角速度,不会受到车体运动
10、的影响,因此该信号中噪声很小。车模的角度又是通过对角速度积分而得,这可进一步平滑信号,从而使得角度信号更加稳定。因此车模控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺仪所得到的信号。由于从陀螺仪角速度获得角度信息,需要经过积分运算。如果角速度信号存在微小的偏差和漂移,经过积分运算之后,变化形成积累误差。这个误差会随着时间延长逐步增加,最终导致电路饱和,无法形成正确的角度信号。为了消除积分漂移,我们引入姿态测量的方法。硬件两轮自平衡小车实物图如下图: 图3 两轮自平衡小车实物图 2 程序的设计与编写在自平衡小车未做控制时,不论其车身向前或向后倾斜,两轮都处于静止状态,这时其车身前后摆动与其车轮转动是相互独
11、立的;当其开始控制时,其车身的状态变化使小车有静止、前进(前倾)、后退(后仰)三种运动的方式,在正确的控制策略下,小车能够保持自身的平衡。这三种运动方式与控制策略如图所示 (1)前倾 (2)静止 (3)后仰图4 小车三种运动方式(1)前倾状态:即车身重心靠前,车身会向前倾斜,则驱动车轮向前滚动,以保持小车平衡。(2)静止状态:即车身重心位于电机轴心线的正上方,则小车将保持动态平衡静止状态,不需要做任何控制。(3)后仰状态:即车身重心靠后,车身会向后倾斜,则驱动车轮向后滚动,以保持小车平衡。因此,两轮自平衡小车平衡控制的基本思想是:当测量倾斜角度的传感器检测到车体产生倾斜时,控制系统会根据测得的
12、倾角产生一个相应的力矩,通过控制电机驱动两个车轮朝车身要倒下的方向运动,以保持小车自身的动态平衡。主要程序清单:#include #include #include #include #include#include#define SMPLRT_DIV 0x19#define CONFIG 0x1A#define GYRO_CONFIG 0x1B#define ACCEL_CONFIG 0x1C#define ACCEL_XOUT_H 0x3B#define ACCEL_XOUT_L 0x3C#define ACCEL_YOUT_H 0x3D#define ACCEL_YOUT_L 0x3E#
13、define ACCEL_ZOUT_H 0x3F#define ACCEL_ZOUT_L 0x40#define TEMP_OUT_H 0x41#define TEMP_OUT_L 0x42#define GYRO_XOUT_H 0x43#define GYRO_XOUT_L 0x44#define GYRO_YOUT_H 0x45#define GYRO_YOUT_L 0x46#define GYRO_ZOUT_H 0x47#define GYRO_ZOUT_L 0x48#define PWR_MGMT_1 0x6B#define WHO_AM_I 0x75#define SlaveAddr
14、ess 0xD0typedef unsigned char uchar;typedef unsigned short ushort;typedef unsigned int uint;sbit in1=P11;sbit in2=P12;sbit in3=P15;sbit in4=P16;sbit SCL=P27;sbit SDA=P26;void delay(unsigned int k);void InitMPU6050();void Delay5us();void I2C_Start();void I2C_Stop();void I2C_SendACK(bit ack);bit I2C_R
15、ecvACK();void I2C_SendByte(uchar dat);uchar I2C_RecvByte();void I2C_ReadPage();void I2C_WritePage();int GetData(uchar REG_Address);int PWM(int a,int b);void PWM_calculate( void);int temp;uchar Single_ReadI2C(uchar REG_Address);float Adjust_up1,Adjust_up2;unsigned int PWM_Duty1,PWM_Duty2;/*角度参数*float
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