自平衡小車設(shè)計報告

1、2012年省電子競賽設(shè)計報告項目名稱： 自平衡小車 姓 名： 連文金、林冰財、陳立鑌 指導(dǎo)老師： 吳進營、蘇偉達、李汪彪、何志杰 日 期： 2012年9月7日 摘要：本組的智能小車底座采用的是網(wǎng)上淘寶的三輪兩個電機驅(qū)動的底座,主控芯片為STC89C52,由黑白循跡采集模塊對車道信息進行采集,將采集的信息傳送到主控芯片,再由主控芯片發(fā)送相應(yīng)的指令到電機驅(qū)動模塊L298N，從而控制電機的運轉(zhuǎn)模式。關(guān)鍵詞：STC89C52 L298N 色標傳感器 E18-F10NK 自動循跡引言：近現(xiàn)代，隨著電子科技的迅猛發(fā)展， 人們對技術(shù)也提出了更高的要求。汽車的智能化在提高汽車的行駛安全性，操作性等方

2、面都有巨大的優(yōu)勢，在一些特殊的場合下也能滿足一些特殊的需要。智能小車系統(tǒng)涉及到自動控制，車輛工程，計算機等多個領(lǐng)域，是未來汽車智能化是一個不可避免的大趨勢。本文設(shè)計的小車以STC89C52為控制核心，用色標傳感器 E18-F10NK作為檢測元件實現(xiàn)小車的自動循跡前行。一、系統(tǒng)設(shè)計本組智能小車的硬件主要有以STC89C52 作為核心的主控器部分、自動循跡部分、電機驅(qū)動部分。1.1方案論證及選擇：根據(jù)設(shè)計要求，可以有多種方法來實現(xiàn)小車的功能。我們采用模塊化思想，從各個單元電路選擇入手進行整體方案的論證、比較與選擇。本方案以STC89C52作為主控芯片，通過按鍵進行模式的選擇切換，按鍵一選

3、擇三輪循跡，按鍵二進行兩輪循跡。1.1.1模式一（三輪循跡）：模式一（按鍵一控制）：三輪循跡的時候，通過色標傳感器和激光傳感器進行實時的數(shù)據(jù)采集，反饋給主控芯片，主控芯片通過驅(qū)動L298來控制兩路直流減速電機，從而保證路線的準確性。引導(dǎo)線斷開區(qū)域：由于小車是逆時針行走，考慮到慣性，五個傳感器全部沒有檢測到，就直接一定程度上的左轉(zhuǎn)，正好和慣性在一定程度上進行抵消，校正電機兩輪電機的線性偏差。直接從D區(qū)域走到E區(qū)域。S型曲線：通過安裝傳感器，實地模擬所有經(jīng)過的所有情況，來經(jīng)過“S”型曲線。加減速區(qū)域：經(jīng)過第一個十字路線，設(shè)置標志位flag為1，第二個十字路線，設(shè)置標志位為2，第三個十字路線的時候，

4、flag為3，flag為4時清零。1.1.2模式二（兩輪循跡）：模式二（按鍵二控制）：兩輪循跡的時候，通過色標傳感器、激光傳感器進行路況分析，陀螺儀與加速度傳感器集成模塊通過傾角改變量來進行反饋給小車，保證小車的兩輪平衡行駛。兩輪循跡方案（平衡、速度、方向控制）理論分析及計算當測量傾斜角度的傳感器檢測到車體產(chǎn)生傾斜時，控制系統(tǒng)根據(jù)測得的傾角產(chǎn)生一個相應(yīng)的力矩，通過控制電機驅(qū)動兩個車輪朝車身要倒下的方向運動，以保持小車自身的動態(tài)平衡。兩輪自平衡小車的運動主要由驅(qū)動兩個輪子轉(zhuǎn)動的電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩所控制。而我們在控制小車的平衡及運動時， 控制量也是輪子的轉(zhuǎn)動力矩。1.1.2.1平衡控制：平衡控制是

5、通過負反饋來實現(xiàn)的，系統(tǒng)可以類比為一個倒立的單擺模型，因為車模只有兩個輪子著地，車體會在輪子滾動的方向上發(fā)生傾斜?？刂戚喿愚D(zhuǎn)動，抵消其在這個維度上傾斜的趨勢就可以保持車體的平衡了。對倒立車模進行數(shù)學(xué)建模，建立速度的比例微分負反饋控制，根據(jù)基本控制理論討論車模通過閉環(huán)控制保持穩(wěn)定的條件。車模簡化為高度為，質(zhì)量為的簡單倒立擺，它放置在可以左右移動的車輪上。假設(shè)外力干擾引起車模產(chǎn)生角加速度。沿著垂直于車模地盤方向進行受力分析。由圖推導(dǎo)出車模傾角與車輪運動加速度以及外力干擾加速度之間的運動方程2： （1.1.2.1 - 1） 在角度很小時，, , 運動方程簡化為： （1.1.2.1 - 2）車模靜止時

6、， （1.1.2.1 - 3）對應(yīng)車模靜止時，系統(tǒng)的輸入輸出的傳遞函數(shù)為： （1.1.2.1 - 4）此時系統(tǒng)具有兩個極點 。一個極點位于平面的右半開面，車模不穩(wěn)定。通過對系統(tǒng)的拉氏分析，知當車模靜止時，此時系統(tǒng)的一個極點位于平面的右半平面，車模不穩(wěn)定3。因此引入比例、微分反饋控制（在角度控制中，與角度成比例的控制量稱為比例控制，與角速度成比例的控制量稱為微分控制，其中角速度是角度的微分）之后的系統(tǒng)如圖2-2所示，其中。圖2-2 加入比例微分反饋控制后的系統(tǒng)框圖系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： （1.1.2.1 - 5）此時系統(tǒng)的兩個極點位于： （1.1.2.1 - 6）系統(tǒng)穩(wěn)定需要兩個極點都位于平面的左半

7、開平面，要滿足這一點，需要，由此得出結(jié)論，當時，直立車模可以穩(wěn)定。1.1.2.2速度控制：通過MPU-6050模塊，測量加速度傳感器獲得的角度信號，與角速度傳感器測得的信號進行對比，對比積分得到的角度與重力加速度得到的角度，使用他們之間的偏差改變陀螺儀的輸出，從而使積分的角度逐漸跟蹤到加速度傳感器測得的角度。這樣對于加速度傳感器給定的角度，經(jīng)過比例、微分、積分環(huán)節(jié)之后產(chǎn)生的角度必然等于我們要測量的車模傾斜的角度，通過調(diào)節(jié)PWM信號從而達到對小車的直立控制。也就是利用PID算法計算輸出量，根據(jù)輸出量控制PWM。1.1.2.2.1電機模型化分析和簡化：可以將電機轉(zhuǎn)速與施加在其上的電壓之間的關(guān)系化成

8、一個一階慣性環(huán)節(jié)模型。施加在電機上的一個階躍電壓，電機的速度方程是： （1.2.2 .1- 7）式中，為電壓；為單位階躍函數(shù)；為時間常數(shù)；為電機轉(zhuǎn)速常數(shù)。分析該式可知，電機運動分為兩個階段，加速階段和恒速階段。其中，在加速階段，電機帶動車模后輪進行加速運行，加速度近似和施加在電機上的電壓成正比，加速階段的時間長度取決于時間常數(shù)。在恒速階段，電機帶動車模后輪進行恒速運行，運行速度與施加在電機上的電壓成正比。由此計算所得的加速度控制量再乘以一個比例系數(shù)即為施加在電機上的控制電壓，通過調(diào)節(jié)PWM信號，這樣就可以保證小車的自平衡循跡直立狀態(tài)。1.1.2.3方向控制：控制兩個電機之間的轉(zhuǎn)動差速實現(xiàn)車模轉(zhuǎn)

9、向控制，可直接通過不同電壓脈沖信號進行控制。1.2.1車體方案選擇方案一：自己動手制作小車底座，一方面材料欠缺，另一方面制作過程要花費大量時間，制作出來的小車還可能機械性能不夠優(yōu)異。方案二：網(wǎng)上購買小車底座，結(jié)構(gòu)簡單，基本能夠符合設(shè)計所需，機械性能相對有保障。方案選擇：方案一和二同時結(jié)合使用，直接使用之前閑置的小車底座進行改裝。1.2.2主控芯片方案一：51單片機芯片（比如STC89C52系列）優(yōu)點：容易控制、操作簡單、外設(shè)較少、成本較低、其低功耗、性能穩(wěn)定，處理速度1M。缺點：處理速度較慢，擴展性較低，外部資源相對較少。方案二：ARM芯片（STM32）優(yōu)點：低功耗，高性能，程序在不同核之間兼

10、容性良好，包括多種通信接口，內(nèi)核電壓低至1.8V，可以選擇睡眠，待機等多種低功耗模式，容易處理各種復(fù)雜接口，處理速度達72M。操作資源豐富，包括10個定時器、兩個12位1-Msample/s 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (交錯模式下2-Msample/s)、兩個12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器、兩個I2C接口、五個USART接口和三個SPD端口。外設(shè)共有12條DMA通道，一個CRC計算單元。缺點：操作相對復(fù)雜，價格相對較高。方案選擇：采用STC89C52單片機來實現(xiàn)本題目，電路簡單，成本較低，經(jīng)實驗運行證明工作可靠，所以最后決定用STC89C52作為該控制系統(tǒng)的核心。1.2.3穩(wěn)壓芯片選擇型號/參數(shù)LM7805LM2940-

11、5TPS7350LM2596DC-DCLM1084-5LP3853-5穩(wěn)壓方式線性穩(wěn)壓線性穩(wěn)壓線性穩(wěn)壓開關(guān)穩(wěn)壓開關(guān)穩(wěn)壓線性穩(wěn)壓線性穩(wěn)壓壓差高低很低中很低低低穩(wěn)壓精度低高很高中高較高很高輸出電流1A1A0.5A3A2A15A3A損耗功率大小 很小很小很小小很小電容需求高中小高小中小外圍電路少少較少多很少少少成本低中中中高中高方案選擇：LM2596輸出電流大，損耗功率小，帶負載能力比較強，價格也不會很貴，所以用LM2596給單片機最小系統(tǒng)版供電、驅(qū)動模塊、色標傳感器模塊、激光模塊和陀螺儀模塊供電。1.2.4電機選擇方案一：步進電機優(yōu)點：可以精確控制小車的旋轉(zhuǎn)角度缺點：由于內(nèi)部構(gòu)造原因，速度很慢，給

12、一個脈沖延時一段時間，速度慢。方案二：直流減速電機優(yōu)點：速度快（同樣的功率比馬達驅(qū)動的速度快一倍（6V）缺點：速度很快的情況下，小車的角度不容易精確控制。方案三：舵機優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝調(diào)試，大扭力，成本低，容易控制角度，角度控制精確。缺點：價格相對較高。方案選擇：選擇方案二。步進電機速度太慢，而且小車主要是實現(xiàn)循跡功能，所轉(zhuǎn)過的角度不用太過精確，舵機的價格太貴，綜上考慮選擇直流電機。1.2.5循跡模塊方案一：激光循跡優(yōu)點：反應(yīng)靈敏，信號強，前瞻性非常好，做的好的話，可以達到1-2米左右，不易受自然光影響。缺點：價格相對昂貴，相對不好調(diào)試，工作電流大。方案二：紅外循跡優(yōu)點：輸出電流相對較小

13、，單個模塊20mA-30mA。缺點：距離短。方案三：攝像頭循跡優(yōu)點：前瞻性好，控制精確。缺點：程序復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大，調(diào)試難度大。方案四：色標傳感器優(yōu)點：可以檢測特定顏色與顏色的差異。缺點：價格相對昂貴。方案選擇：選擇方案一和方案四相結(jié)合。鑒于本次比賽只需完成預(yù)設(shè)軌跡，所以不用追求速度和時間，考慮到精度和靈敏度。1.2.6兩輪平衡數(shù)據(jù)采集方案一：MPU-6050模塊 優(yōu)點: 集加速器與陀螺儀于一體，是整合性6軸運動處理期間，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少了大量的包裝空間；并且內(nèi)置16位AD，是數(shù)字量輸出，采用標準的IIC通訊協(xié)議，無需外接AD，降低成本。缺點：由于

14、MPU-6050是新產(chǎn)品，還沒有太多人使用，所以資料少，并且采集速度比組件慢一些。方案二：MMA7660+ENC-03R 優(yōu)點:采集速度快，資料多。缺點：需要外置AD，存在軸間差的問題。方案選擇：比較兩個方案，最終選擇了方案一。二、硬件設(shè)計及說明基本系統(tǒng)控制電路采用采用模塊化設(shè)計，鎳鎘電池（7.2V 2000mA）通過2596穩(wěn)壓成5V給主控模塊、色標傳感器、激光傳感器和陀螺儀供電，以單片機STC89C52作為主控單元，負責整個電路的資源分配，色標傳感器和激光傳感器分別采集路況信息進行分析，從而自動識別，兩輪行駛時，通過陀螺儀來測試傾角的變化量，反饋給主控模塊，從而來控制小車的平衡行駛。2.1

15、 硬件設(shè)計2.1.1電路原理圖主控電路圖（包括2596穩(wěn)壓電路和色標傳感電路） 2.1.2 電機驅(qū)動：L298N為15個管角的單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅(qū)動，設(shè)計用L298N來接收DTL或者TTL邏輯電平，驅(qū)動感性負載(比如繼電器，直流和步進馬達)和開關(guān)晶體管。內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路，其額定工作電流為 1 A，最大可達 1.5 A，Vss 電壓最小 4.5 V，最大可達 36 V；Vs 電壓最大值也是 36 V。L298N可直接對電機進行控制，無須隔離電路，可以驅(qū)動雙電機。單片機控制IO口分別與L298N的IN1IN4相接，PWM輸出控制接EN A、EN B，其VS、VSS分別接

16、+12 V、+5 V電源，其輸出口OUT1OUT4接直流減速電機，通過簡單的指令就可控制小車的運行，如直線行走、通過PWM輸出電壓調(diào)節(jié)控制小車速度及轉(zhuǎn)向。原理圖：2.1.3 循跡部分2.1.3.1 色標傳感器主要由5個色標黑白線檢測模塊組成。采用色標黑白線檢測模塊完成系統(tǒng)循跡任務(wù)，循跡電路是用以實現(xiàn)小車沿著場地的黑色弧形引導(dǎo)軌跡進行前進和位置校正的，且小車不能偏離該軌跡。在本設(shè)計中采用色標黑白線檢測模塊完成系統(tǒng)循跡任務(wù)，硬件電路實現(xiàn)比較簡單，只需在VCC和輸出信號間加一個1K左右的上拉電阻，防止輸出電平的邏輯錯誤，其靈敏度可以通過調(diào)節(jié)電位器來實現(xiàn)，實物圖如下圖所示：2.1.3.2激光傳感器模塊

17、原理圖：發(fā)射電路：接收電路：三、軟件設(shè)計四、系統(tǒng)測試過程4.1硬件調(diào)試：4.1.1主控板調(diào)試：由于小車主控電路接口電路較簡單，焊接后通過萬用表和線性直流源簡單測試后發(fā)現(xiàn)沒有問題。4.1.2直流減速電機調(diào)試：由于兩個直流減速電機的線性參數(shù)不一樣，左輪相對右輪總是比較快，通過調(diào)節(jié)聯(lián)軸器和車輪之間的“L”型貼片，可以有一定的改善。但是效果不明顯，只能通過軟件去調(diào)試直流減速電機的速度同步。4.1.3紅外傳感器調(diào)試：剛開始我們打算循跡部分的傳感器方案是采用自己做的紅外傳感模塊，由于調(diào)試經(jīng)驗還不是很豐富，一直沒有成功，所以后面為了不影響進度采購了色標傳感器。自己做的模塊不能正確采集，我們判定是由于電阻阻值

18、的關(guān)系。阻值大，電流小，精度低，阻值小，電流大，精度高。本次比賽結(jié)束后我們會進一度驗證。4.1.3色標傳感器調(diào)試：色標傳感器主要是通過調(diào)節(jié)電位器在一定距離來識別黑白線，先固定色標傳感器，通過電位器最大和最小間調(diào)節(jié)，直至合適的電阻值。4.1.4激光模塊：激光模塊先通過透鏡聚焦在接收管上，先固定傾角然后識別黑白線，然后直接調(diào)電位器，由于激光識別黑白線效果非常明顯，調(diào)試比較快，而且前瞻性可以達到1.5-2米。4.2軟件調(diào)試：首先我們通過控制PWM可以控制電機的轉(zhuǎn)速，根據(jù)檢測值的不同，做出不同的反應(yīng)。此次設(shè)計左右轉(zhuǎn)是根據(jù)調(diào)節(jié)左右電機的PWM使一個電機轉(zhuǎn)得快一些，一個電機轉(zhuǎn)得慢一些，從而達到左右轉(zhuǎn)的效果

19、。如果覺得轉(zhuǎn)彎弧度太小，可以采用一輪向前一輪向后的方法來控制。前前后后我們的程序版本有十幾個，從開始的不能正常循跡；到能循跡，D到E無法通過；再到能夠通過D、E區(qū)，但是無法實現(xiàn)ABC兩段的加減速；能實現(xiàn)加減速，但走S區(qū)不穩(wěn)定；到最后的走S區(qū)相對穩(wěn)定。在這段時間，還試著利用PID算法寫2輪行走的代碼，但是就在要測試的時候，沒注意到加速度與陀螺儀傳感器的保存溫度，在將傳感器固定到車身時將傳感器燙壞，再采購一個，時間上來不及了，所以最終就放棄了發(fā)揮部分。在軟件調(diào)試過程中，我們發(fā)現(xiàn)有時候是傳感器檢測問題。有時候傳感器根本不能正確采集數(shù)據(jù)，所以在很多時候沒有發(fā)現(xiàn)硬件的問題也給軟件調(diào)試帶來很大的困難。后期

20、我們給每個傳感器裝上一個指示燈，初始時燈是全亮的，檢測到黑線的傳感器就變暗，這樣如果是傳感器檢測數(shù)據(jù)的問題就能夠清楚的知道，并及時作出調(diào)整（調(diào)整傳感器的電位器）。4.3系統(tǒng)聯(lián)調(diào)小車在實地測試的情況下，多次對數(shù)據(jù)進行采集分析，“S”型曲線的優(yōu)化和空白區(qū)域死區(qū)的預(yù)防，從原先轉(zhuǎn)彎時兩輪不同的PWM信號，改成兩個電機的正反轉(zhuǎn)，極大提高了小車的性能及穩(wěn)定性。五、測試測試數(shù)據(jù)（注：在電池電力充足的情況下 鎳鎘電池7.2V 2000mA）測試次數(shù)起點所需時間(秒)是否完成AB所需時間（秒）BC所需時間穩(wěn)定性1A46.4是4.26.8穩(wěn)定2A44.8是3.97.2穩(wěn)定3C45.7是3.86.9穩(wěn)定4C否4.17.4“S”型分叉未走完5D46.9是3.67.4穩(wěn)定6D46.8是3.88