基于PID控制的兩輪自平衡小車設計附有程序

基于PID控制兩輪自平衡小車設計微控制模塊設計與分析傳感器模塊設計與分析顯示器模塊設計與分析微控制模塊設計與分析傳感器模塊設計與分析顯示器模塊設計與分析按鍵模塊設計與分析電源模塊設計與分析錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。.方案設計論證TOC\o"1-5"\h\z單片機的選擇與論證3顯示模塊的選擇與論證3按鍵模塊的選擇與論證4電機模塊的選擇與論證5.硬件設計5錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。TOC\o"1-5"\h\z.特色創(chuàng)新5.總結7參考文獻8兩輪自平衡小車設計摘要：以Kinetis_K60微處理器單片機作為控制核心，通過PID算法，利用陀螺儀，攝像頭、加速度計、編碼器和液晶顯示器等元件，設計了此兩輪自平衡控制小車，實現(xiàn)了小車的自動平衡。該系統(tǒng)的創(chuàng)新主要體現(xiàn)在可以自動循跡，實時的顯示周圍環(huán)境的溫度及小車行駛速度，以便用戶可以了解當時的溫度和小車的速度。該系統(tǒng)的主要特點是方便，快捷，環(huán)保。關鍵詞：Kinetis_K60微處理器，PID,陀螺儀，加速度計，液晶顯示器Abstract:WeuseKinetis_K60microprocessorcontrolwithmicrocontrollerasthecore,throughthePIDalgorithm,usinggyroscopes,cameras,accelerometers,encodersandLCDmonitorsandothercomponents,designedthetwo-wheeledself-balancingcontrolcartoachieveaself-balancingcar.Innovationismainlyreflectedinthesystemcanautomaticallytracking,real-timedisplayoftemperatureandspeedofthecarwiththesurroundingenvironment,sothatuserscanunderstandtheprevailingtemperatureandthespeedofthecar.Themainfeaturesofthesystemiseasy,fastandenvironmentallyfriendly.Keyword:Kinetis_K60microprocessorPIDalgorithmaccelerometers就目前市場上的小車來說，結構過于普通，而且大部分是通過四輪同時著地行走的，同時不夠智能和人性化，所以我們設計了兩輪自平衡控制小車。.方案設計論證單片機的選擇與論證方案一：凌陽公司的16位單片機。該單片機是16位控制器，具有體積小、驅(qū)動能力強、可靠性高、功耗低、結構簡單、具有語音處理、運算速度快等優(yōu)點，但凌陽公司的單片機編程規(guī)則與傳統(tǒng)的單片機大不相同，并且IO口數(shù)量相對于其他單片機來說較少。方案二：ATME公司的AT89s52作為系統(tǒng)的控制器。AT89s52單片機軟件編程靈活，自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，成本低，被各個領域廣泛應用。但是51系列單片機RAMROW資源少，外圍模塊少，指令周期長。方案三：Kinetis_K60微處理器。Kinetis_K60微處理器，它具有144個I/O管腳，此處理器具有高速的處理速度和豐富的I/O管腳，可以作為整個小車的控制核心。經(jīng)過綜合考慮，我們選擇方案三。顯示模塊的選擇與論證方案一：采用LED數(shù)碼管顯示。LED數(shù)碼管顯示雖然具有亮度高，醒目，價格便宜，壽命長；但是只能顯示0?9的數(shù)字和一些簡單的字符，電路復雜，占用資源較多且信息量小。方案二：用12864液晶顯示。其優(yōu)點是能顯示更多的字符，功耗低，體積小，且有著良好的人機界面，能夠?qū)崟r的反映出系統(tǒng)當前的狀態(tài)。方案三:采用Nokia5110液晶顯示。此液晶具備成本低的特點，但是由于屏幕本身大小的限制，顯示的內(nèi)容相對較少。比較以上三種方案，選擇方案二，使用12864液晶作為顯示界面。按鍵模塊的選擇與論證方案一：采用普通的電路開關設計電路。使用普通的電路開關來作為系統(tǒng)工作模式的選擇鍵可以提高系統(tǒng)的硬件穩(wěn)定性，而且對于開關位置的放置也沒有要求，但是對于一個系統(tǒng)來說，如每一個步驟的進行都需要一個開關的話，就會提高控制部分設計的復雜性，同時占用單片機的多個IO□，造成資源的浪費。方案二：采用帶有提示功能的3*4貼片式鍵盤設計電路。矩陣鍵盤的設計原理是為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，在矩陣鍵盤中每條水平線和垂直線在交叉處不直接相連，而是通過一個按鍵相連接，這樣在由N條水平線和M條垂直線最多可以有N*M個按鍵，大大的減少了對于芯片I/O的占用。通過對矩陣鍵盤的穩(wěn)定性測試，發(fā)現(xiàn)具有很好的穩(wěn)定性。經(jīng)過比較，我們采用方案二不但設計簡單，運行穩(wěn)定，精度高，而且能夠提示使用者進行相應地操作。傳感器模塊的選擇與論證考慮如何使系統(tǒng)精確運行。這里我們要電機的停轉(zhuǎn)精度等問題，為此我們考慮了以下幾種傳感器：方案一：采用光電開關。它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的。光電開關將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測。但是光電開光受光線的影響很大，在一個相對密封的系統(tǒng)中，光電開關不容易進行檢測。方案二：采用行程開關。行程開關是一種根據(jù)運動部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。當動物接近靜物時，開關的連桿驅(qū)動開關的接點引起閉合的接點分斷或者斷開的接點閉合。由開關接點開、合狀態(tài)的改變?nèi)タ刂齐娐泛蜋C構的動作。行程開關的作用范圍很廣，不受限制，而且固定簡單，原理簡單。方案三：采用超聲波傳感器。超聲波是利用像物體發(fā)送超聲波，采集返回的信號，進而根據(jù)發(fā)送信號和接收信號的時間差來計算與對面物體的距離。但是通過資料了解到，超聲波的工作狀態(tài)很嚴格，對溫度的要求很高，而且采集信號容易受到光線的影響。方案四：采用攝像頭ov7620。而道路的獲取則是采用OV762勰像頭來采集，處理器把攝像頭采集到的信息轉(zhuǎn)換成二進制的數(shù)字信息，通過對顏色深淺的判斷，轉(zhuǎn)換成不同的二進制信息，再送給處理器處理。通過比較方案，我們選擇了攝像頭作為主要傳感器。電機模塊的選擇與論證方案一：采用三相異步交流電動機。三相異步交流發(fā)電機的工作原理是直流發(fā)電機的工作原理就是把電樞線圈中感應產(chǎn)生的交變電動勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時變?yōu)橹绷麟妱觿莸脑?。三相異步交流發(fā)電機的控制精確度很高，但是由于電機只能使用交流電，而且價格昂貴，我們決定使用直流電機。方案二：采用GW31ZY-24t流減速電機。直流發(fā)電機的工作原理就是把電樞線圈中感應產(chǎn)生的交變電動勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時變?yōu)橹绷麟妱觿莸脑怼?4系列的電機，電機長，力矩大，齒輪減速箱長，轉(zhuǎn)速慢，穩(wěn)定性高。并且工作電壓范圍大，工作時電壓穩(wěn)定。很適合做辦公桌的動力系統(tǒng)。方案三：采用freescale官方提供的直流電機。DC7.2RS-540馬達，轉(zhuǎn)速20000r/min,內(nèi)裝散熱風扇，最大功率118W是車模完成競賽任務的有力保障。通過比較方案，我們選擇了RS-540電機作為主要的的受控部件.硬件設計.控制模塊本兩輪平衡代步車采用的Kinetis_K60微處理器，它具有144個I/O管腳，此處理器具有高速的處理速度和豐富的I/O管腳，可以作為整個小車的控制核O.角度測量模塊而小車的平衡則是利用陀螺儀與加速度傳感器的融合來獲得小車的與豎直方向的傾角，融合的的過程中是采用了卡爾曼濾波和中值濾波法來對AD采集到的數(shù)據(jù)進行濾波，使得數(shù)據(jù)形成的波形更加的平滑，使獲得的信息更加的準確。

處理器把攝像頭采集到的信息轉(zhuǎn)換成二進制的數(shù)字信息，通過對顏色深淺的判斷，轉(zhuǎn)換成不同的二進制信息，再送給處理器處理。4.電機與速度測量模塊速度的測量主要是用到光碼盤進行測速,把測到的速度信息與原設定的速度進行比較,理器進行算法處理，和實時的反饋，利用經(jīng)典的PID處理器把攝像頭采集到的信息轉(zhuǎn)換成二進制的數(shù)字信息，通過對顏色深淺的判斷，轉(zhuǎn)換成不同的二進制信息，再送給處理器處理。4.電機與速度測量模塊速度的測量主要是用到光碼盤進行測速,把測到的速度信息與原設定的速度進行比較,理器進行算法處理，和實時的反饋，利用經(jīng)典的PID算法和對電機的閉環(huán)控制，使得電機有更快的響應速度把處理后的信息送給電機，小車的控制原理圖如下所示：3.信息采集模塊OV7620攝像頭來驅(qū)動電機車模保持給定的傾角T+丫-加速度計車棋幀用給定量角速度3.電機驅(qū)動模塊而電機驅(qū)動采用四片BTS7971芯片搭建而成的兩個全橋電機驅(qū)動，它可以驅(qū)動兩個電機的前進后退和轉(zhuǎn)彎，使小車反應更加的靈敏，使小車適應一些復雜的地形，為人們提供了極大的方便，電流的最大可以達到43A,為小車提供充足的動力。.顯示模塊小車上裝有溫度傳感器，可以測量當前環(huán)境下的溫度，光碼盤可以測量當前小車的速度，然后顯示到12864的液晶屏幕上，反應給用戶。3.總結經(jīng)過兩個多月的努力學習，“兩輪子平衡小車”終于得以按時順利的完成了。這次設計涉及的內(nèi)容廣，知識面大，做完之后自己在很多方面都有了進一步的了解與掌握，受益匪淺，當然在制作的過程中也遇到了很多困難，不過我們都一一克服了。在這個過程中我們深刻的體會到了共同協(xié)作和團隊精神的重要性，提高了自己解決問題的能力。通過本次設計，使我初步掌握了工程設計的程序和方法，既豐富了自己的專業(yè)知識，又取得了一定的工作經(jīng)驗，為以后的走向工作崗位打下堅實的基礎