两轮直立自平衡车的设计_图文

1、第13卷第4期2013年12月浙江树人大学学报J O U R N A L O F Z H E J I A N G S HU R E N U N I V E R S I T Y V o l .13,N o .4D e c .2013收稿日期:2013-09-26基金项目:浙江省自然科学基金项目(Q 12F 03014,L Y 13F 010013;浙江树人大学实验室开放项目(2013J S 1003;校级项目(2012J A 1010.作者简介:杨程引,男,浙江杭州人,浙江树人大学信息科技学院通信工程专业2009级本科生.指导教师:程菊花、陈友荣.两轮直立自平衡车的设计杨程引,程菊花,陈友荣,许

2、建芬,李力栋(浙江树人大学信息科技学院,浙江杭州310015摘要:该文提出了一种两轮直立自平衡车的设计方案.采用陀螺仪判断小车的原有姿势状态,加速度传感器计算车体的倾斜角度,滤波算法抵消原有角度的倾斜,采用X S 128处理器处理数据和控制小车,最终达到车体的平衡.实验结果表明:小车自行保持直立,并且具有较好的回复平衡能力.该车是验证各种控制算法的理想平台,具有一定的应用前景.关键词:两轮自平衡车;卡尔曼滤波;互补滤波;P I D 控制中图分类号:T N 915.0文献标识码:A 文章编号:1671-2714(201304-0001-070引言移动机器人技术随着计算机技术、软件技术、微电子技术

3、、材料技术等相关领域的进步而发展,同航天技术一样,其发展水平甚至代表了一个国家的综合科技实力.1两轮直立自平衡小车作为一种特殊的移动机器人,具有地形适应性强、运动灵活、驱动功率小、续航时间长等特性,可以作为运载工具和一些设备的运行平台.两轮直立自平衡小车要求其在完成自身平衡的同时,还能够适应各种环境下的控制任务,即是一个自动控制系统平台.小车的平衡控制是控制算法的一个重要分支和典型应用,已成为人们重点研究的课题之一.2笔者根据动态稳定原理,提出一个可以直立并保持平衡的实验车,可作为一个自动控制系统平台以研究各种自动控制算法.1自平衡车总体设计两轮直立自平衡车的运作原理是建立在一种被称为“动态稳

4、定”(D yn a m i c S t a b i l i z a t i o n 的基本原理上,也就是车辆本身的自动平衡能力.3即利用传感器检测车体状态,反馈数据给中央控制器,再由中一个自动控制产品往往包括硬件系统与软件系统,其中硬件系统由电路系统和机械系统组成;软件系统分为底层代码和实现算法.在两轮自平衡系统中,软件系统主要包括用于实现路径识别的算法、电机转速闭环以及导引策略等,如图1所示.为了便于改装和替换,方案采用了模块化设计,由5个模块组成.核心控制模块以飞思卡尔16位单 .图1直立自平衡车系统结构图 图2两轮直立自平衡车模运行原理示意图1.2小车运行原理两轮直立自平衡车模运行原理是

5、闭环控制的典型代表,其流程示意如图2所示.自平衡车利用加速度计和陀螺仪两个传感器获取小车姿态信息,将初始信号传给单片机,单片机将信号A D 转换后进行角度融合计算,得出融合值再与根据实际情况设定的临界值进行比较.单片机根据判断情况作出决策,按照设定程序发出P WM 信号控制电机输出,从而实现车体直立运行.42 自平衡车硬件设计图3主要硬件组成结构核心控制模块由X S 128MA A 系统板和外围电路组成.为了实现车模直立行走,需要采集和传递各种信号,其设计思路为:车模陀螺仪信号,获得车模的角速度;重力加速度信号(z 轴信号,补偿陀螺仪的漂移,并获得车模倾角角度;串口通信信号,用以传送车模运行中

6、各类数据;P WM 驱动信号,用来控制电机工作,使小车直立 .图4主板电路设计如图4所示,X S 128为小车的C P U ,其中端口A D 整合了1个16位通道A T D 模块,为模数输入端口;端口P 整合了P WM 模块,用于P WM 波输出;端口S 、M ,有漏极开路控制寄存器;J 有基于每个针脚的中断标志寄存器(作为保留功能端口;端口A 有一个上拉控制寄存器,用来控制驱动芯片L 298的使能.X S 128的左边最上端S C I _W 为串口通信接口,其中1管脚接+5V 逻辑电位;2管脚接地;2浙江树人大学学报2013年管脚3接S 0为单片机的串口发送端,接U S B 串口的接收端;管

7、脚4接S 1为单片机的串口接收端,接U S B 接发射端.S C I _W 的下方是E N C MMA 接口,是加速度计和陀螺仪的整合接口,其中管脚2和3一头接单片机的M 4和M 5,另一头接加速度计的S D A 和S D L , 电源管理模块图5电源模块两轮直立自平衡车作为一个独立的自动控制系统包含多个工作模块,各个模块需要的额定工作电压各不相同,因此系统需要一个有效管理电源分配的电源管理模块.设计采用一块“12V ,1A ”的锂电池组,开关电源作为供电模块以实现系统高效的电源管理分配,其电路原理如图5.L M 2576芯片用来产生波纹电流,其管脚3接+12V 锂电池的输入, 电机驱动模块图

8、6电机驱动模块电路电机部分是整个平衡车系统的动力部分,是车模能够直立最重要的部分.对电机的稳定持续供电是整个设计中最重要的环节,为了避免长时间使用电源,造成电源电压下降引起的输出不稳定,采用了P WM 输出控制电机运转的方法.如图6所示,驱动芯片L 298N 的I N 1到I N 4四路用作单片机P WM 波的信号输入;EN A 和E N B 接A 0和A 1,接收单片机的使能信号;V S S 接+5V 逻辑电平,V传感器模块采用E N C -03陀螺仪和MMA 8452Q 加速度计,用来检测车模姿态.E N C -03(图7是一种应用科里奥利力原理的角速度传感器,它输出一个和角速度成正比关系

9、的模拟电压信号.陀螺仪转动时,在其敏感方向会产生正或负压信号输出,转动角速度越大,输出模拟电压的变化值越大;当停止转动时,输出电压会回复到预设电压电平(V r e f .由于E N C -03存在比较明显的温漂现象,所以在实际应用中采用将陀螺仪信号和加速度计信号进行互补滤波或卡尔曼滤波两波融合 .图7陀螺仪芯片电路 图8加速度计芯片电路3第4期杨程引,程菊花,等:两轮直立自平衡车的设计 图9小车整体效果MMA8452Q (图8则是一款具有12位分辨率的智能低功耗、三轴、电容式微机械加速度传感器,具有丰富的嵌入式功能,带有灵活的用户可编程选项,可以配置多达2个中断引脚.由于MMA 8452Q 加

10、速度计获取的是一组三个方向的数字信号,需要编写算法对信号进行采集处理,获得一个直观的波形信号,然后对采集到的信号进行反三角计算,得到车模重力加速度倾角(z 轴加速度角度.由于车模运行时会产生振动,采集的信号有大量的噪声,因此必须采用滤波算法对信号进行滤波处理,使信号变得平整.2.5车辆机械结构改造如图9所示,为了便于实现直立和降低设计难度,小车采用大轮胎,将车体最重的电池安装于底部,降低整车重心,提高稳定性.同时,对装有传感器的主板进行了加高,使得小车在发生倾斜时,传感器接受外界环境变化更为敏感.3自平衡车软件设计小车维持平衡主要依靠多传感器融合与电机的P I D 控制.其中加速度计用来检测小

11、车是否倾斜和倾斜程度,一旦倾斜,由陀螺仪触发控制电机启动,再由加速度计控制小车是否回正,并停止电机驱动.程序控制总流程如图10 .图10主程序流程3.1倾角的计算原理设加速度计的两个轴分别为x 和y ,x 与水平轴的夹角为,当加速度计静止时,它会测量到重力在x 轴和y 轴上的分量,将x 和y 两个分量用反三角变换就能得到真实的倾斜角度量.角度计算代码如下:Z _A c c=MMA 845x _r e a d b yt e (O U T _Y _M S B _R E G ;/读取加速度计算传感器信号I f (z _A c c >127v z=z _A c c -256;A c c _A n

12、 gl e=a s i n f (v z *4.0/256*57.29578;4浙江树人大学学报2013年 图11P D 控制算法程序流程E l s e vz=z _A c c ;A c c _A n gl e=a s i n f (v z *4.0/256*57.29578;/将读取的加速度计数字信号转化为相应的角度值3.2P I D 控制软件设计PI D 控制是工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律.它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一.5本设计实际直立使用的是P D 控制,其思路和运算方法与P I D 算法相同,仅仅将积分参数省略不进行计算.P D 控

13、制算法程序流程如图11所示.程序中P (控制比例参数和D (控制微分参数可以根据车模实际情况进行修改,以达到小车直立的要求.在调节时,先设置D=0,调节P 参数,用来增大小车的回复力,等到P 达到一定值后小车开始振动(此时P 已经过大,再开始调节D 值(D 值相当于倒立摆中的阻尼力,该值可以有效抑制小车的振动,但该值过大也会造成车体抖动,选择一个合适的参数值需要进行耐心调试.3.3直立控制软件设计(如图12 图12直立控制流程首先获取传感器数据,同时将加速度计传感器的信号转变为相应的角度值,进行调整;接着对陀螺仪数值进行优化,再将加速度计和陀螺仪信号值调整到相同规格大小;然后使用卡尔曼滤波将信

14、号进行滤波及角度融合.调用P D 算法对车体进行控制,经过P D 算法处理后的P WM 波可以用来控制电机的输出.当车模向前倾斜时,驱动电机向前运动,使小车直立平衡;当车模向后倾斜时,驱动电机向后运动,使小车直立平衡.4滤波算法加速度计和陀螺仪分别测量车体的倾斜角度和倾斜角速度.而快速获取精确、可靠的倾角和角速度信息需要用到滤波算法.4.1平均滤波算法平均滤波算法较为简单,就是将每次加速度计传感器获取的信号进行累加,累加次数用g i _A n g l e -C o u n t 记录,等到满足次数后将累加后的数值g i _A n gl e S u m 除以累加次数,求得这几次信号的平均值g在加速

15、度计的实际工作情况中,测得的加速度不仅有静态分量,还存在一个小车运动时产生的动态加速度分量,所以需要采用数字低通滤波器对信号进行处理,在综合求倾角时要加上一个数字高通滤波5第4期杨程引,程菊花,等:两轮直立自平衡车的设计需要注意的是,累加时数值不要超过定义类型的范围,数据溢出将导致计算结果失真.在程序运行中,累加次数过多,不仅有数据溢出的风险,还会导致程序运行变慢,加大单片机运算负担;累加次数少,则信号处理效果不明显,信号毛刺和抖动改善效果不大. 器 角度计算公式 ： 浙江树人大学学报 年 · ） × （ ） × （ 其中 ， 为 滤 波 后 角 度 值 ， 为上

16、 次滤波后得到的角度值 ， 为陀螺 仪 输 出 角 速度 ， 为滤波参 为 加 速 度 计 输 出 角 度 值 ， 数 式中 ， 陀螺仪进 行 高 通 滤 波 ， 加速计进行低 通滤波 ， 通 过 改 变 滤 波 参 数 的 值， 就可以得 到不同的 效 果 其 优 点 在 于 简 单 实 用， 易于理 解， 但参数需要多次调试才能达到较理想的效果 互补滤波的原理如图 所示 卡尔曼滤波算法 卡尔曼滤波在这个系 统 中 同 样 能 达 到 比 较 好 的 效 果 ， 另 外 它 具 有 自 校 零 点 作 用， 适 应 性 较 强、 精 度高 ， 采用 状 态 空 间 描 述 法 ， 卡尔曼滤波

17、算法是根据递推最优估计理论 在 算 法 上 采 用 递 推 形 式， 能处 图 互补滤波原理 理多维和非平稳的随机过程 如表 所示 ， 是融合后真实角度值 ， 是矫正后陀螺仪信号控制量 ， 和 是系统参数 ， 其中， 在程序中设定为 是系统过程的协方差 ， 是测量误差的 卡尔曼滤波算法流程如图 协方差 ， 取 矩阵为加速度计和陀螺仪测量各自协方差 所示 表 卡尔曼计算公式 步骤 预测 ） 时间更新 （ 公式 修正 ） 测量更新 （ ） （ ） （ 图 卡尔曼滤波算法流程 滤波效果比较 车模在前后摆 动 时 ， 陀螺仪直接采集的信号在反应车模 发生转动后会形 成 一 个 反 方 向 的 小 波

18、峰 ， 这就是陀螺仪的温 ） ， 这时需 要 通 过 算 法 将 陀 螺 仪 和 加 速 度 计 进 行 漂效应 （ 图 两波融合来补偿信号 经平均滤波处理的加速 三种滤波算法效 果 比 较 如 图 度计信 号 ， 波 形 毛 刺 减 少、 信 号 更 平 滑 互补滤波算法将陀螺 仪和加 速 度 计 融 合 后 ， 波 形 平 滑， 几 乎 没 有 毛 刺 和 抖 动， 陀螺 仪原有的温漂现象也得到消除 卡尔曼滤波之后波形更平滑， 两波融合的效果也更加好 ， 但该波形存在明显的延迟 总之 ， 互补滤波和卡尔曼滤波在波形上比较 ， 卡尔曼滤波处理后的波形更平滑 ， 滤波效果更加明显 ， 但由于其

19、计算误差量 ， 并进行多次迭代运算 ， 波形输出会有明显的滞后 ， 且对处理机的运算能力要求较 高， 在单片机上运行会有较大压力 ； 互补滤波则相对简单 ， 只使用一个公式计算就可以处理完成 ， 对单片 图 陀螺仪信号的温漂现象 第期 杨程引 ， 程菊花 ， 等： 两轮直立自平衡车的设计 机要求相对较低 同时卡尔曼滤波需要对算法有较高的理解 在系统要 求 不 高 的 情 况 下 ， 选择互补滤波 具有较高的性能比 ； 在系统要求较高时则选择卡尔曼滤波能提供更高的精度 图 滤波效果比较 因此 ， 在车模对运动性要求较高时建议采用互补滤波算法 ， 对小车保持姿态要求精度较高时建议选 择卡尔曼滤波算

20、法 总 结 两轮直立自平衡车是一个相对简单的复杂系统 ， 是检验各种控制方法处理能力的典型装置 ， 受到世 笔者根据动态稳定原理 ， 界各国科学家的重视 给出了两轮 直 立 自 平 衡 车 系 统 的 硬 件 和 软 件 设 计 ， 经 过实际运行 ， 车模能够实现直立平衡 ， 互补滤波算法和卡尔曼滤波算法 各 有 优 缺 点 ， 可供车模不同性能 要求时选择参考 参考文献 ： · 西格沃特 ， ·· 诺巴克什 自主移动机器人导论 李人厚译 ， 西安 ： 西安交通大学出版社 ， ： 朱加辉 两轮自平衡小车反馈线性化及变结构控制研究 西安 ： 西安电子科技大学 ，

21、刘斌 两轮自平衡小车软硬件研发与基于模糊线性化模型的变结构控制研究 西安 ： 西安电子科技大学 ， ， ， （ ） ： ， 李蒙 天津 ： 基于 天津大学 ， 单片机的实验教学系统 周海旭 两轮自平衡机器人系统设计 哈尔滨 ： 哈尔滨工程大学 ， 潘迪夫 ， （ ） ： 刘辉 ， 李燕飞 基于时间序列分析和卡尔曼滤波算法的风电场风速预测优化模型 电网技术 ， ， 李洋 ， （ ） ： 机械工程与自动化 ， 梁义维 基于 与 的两轮平衡小车控制算法的仿真研究 ， ， ， ， （ ， ， ） ， ， ： ， ： ； ； ； （ 责任编辑 陈 维君 ） 第 卷第 期 年 月 浙江树人大学学报 ， 基

22、于损耗模型的纺织专用矢量变频 调速系统节能技术 许森， 金诗巍 徐路遥 ， ） （ 浙江 杭州 浙江树人大学 信息科技学院 ， 其工作时间长 、 调 速 性能要求较高 ， 因此 在 保 证 感 应 电 机 摘要： 交流 感 应电机在纺织 设 备中广泛应 用 ， 控制 性能 的 前 提 下 ， 降低纺织 设 备能耗以节约成本成为纺织行业 一 个亟待解决 的 问题 该文针对纺织设 备 的 特性 ， 在 感 应电机调 速方法 上 采用 转子磁场定向 的 矢量 控制算法 ， 并 根 据感 应电机 损 耗 模 型 求 出 最 优 转子磁 链 ， 实 现 了 变频 调 速 系统效率 最 优 的控制 算 法 试 验 结 果 表 明， 该算法在保证调速系统性能的 前提下， 有 效 降低 了 变频 调 速 系统 的 能耗 ， 系统运 行 稳 定 ， 具 有 广泛 的 应 用 前景 关键词 ： 纺织 设 备 ； 感 应电机 ； 矢量 控制 ； 节能 技 术 （ ） 中图分类号 ： 文献标识码 ： 文章编号 ： 引 言 感应电机在梳棉机 、 粗纱机 、 细纱机 、 精梳机 、 并条机 、 络筒机等纺织设备中有广泛的应用 ， 而且大部 分纺织设备每天工作时间都在 以上 ，