20165人，兩輪自平衡機器積小，運動靈活，能夠在比較狹窄、需要大轉角的場合中運本設計以兩輪車模為研究平臺，以公司32位微處理器MK60FX512VLQ15為控制。通過加速度傳感器和陀螺儀，設計濾波算法，實現了傾角的測量；通過設計MOS電機驅動電路，使用單片機輸出，實現了電機速度控制；通過編寫控制算法，實現了兩輪車模的自平衡功能；通過編測量電機轉速，對速度進行閉環控制，實現了兩輪自平衡機器人的速度控制功能。最終通過無線，使小車能夠在自平衡單片機，PID，傾角測量，MOSSelf-balancingrobotbasedonPIDAlongwiththefurtherroboticsresearch,androbotswaswidelyusedintheindustrial Things.Inapracticalapplication,the paredwiththeWheeledrobotwhichhasseveralwheels,self-balancingtwo-wheelrobothastheadvantagesofflexiblemovementbecauseofit’ssmallsize,it’ssuitableinthemorenarrowuseoftheenvironment.Thiskindofrobothastwowheelsofcoaxial,tokeepbalancebywayofmovement.Therobotcanachievethebasicmovementfunction,itcanmoveforwardandbackward,turnleftandright,aswellasstillstanding.Duetoit’sspecialstructure,itcanadapttodifferentterrainenvironment.Forthereasongivenabove,researchesontheTwo-WheeledSelf-BalancingRobotwouldbesignificant.asthecontrollingkernel.Themainworks plishedinthepaperinclude:(1)Designingafilteralgorithm,achievingAnglemeasurementbasedonInertialMeasurementUnit-controlthroughtechnology.(3)Designingcontrolalgorithm,achievingself-balancing.(4)Measuringmotorspeed,achievingspeedcontrolundertheconditionofself-balancingthroughClosed-LoopControl.Finally,realizingfreemovementbyusingaremote:Microcontroller,PID,Measurementofangle，Drivingcircuitof緒 研究目的和意 國內外發展現 設計內 總體設計方 設計思 硬件設計方 機械結構設計方 硬件電路設 單片機最小系統電 加速度傳感器模 陀螺儀模 電機驅動模 電源管理模 軟件程序設 系統流程圖 程序初始化 PID控制算法 PID控制算法介 PID控制算法參數整 傾角估計算法 互補濾波 卡爾曼濾波 直立控制程序設 速度控制程序設 方向控制程序設 開發工具及調試結 開發工具介 MDK介 SerialDigitalScope介 調試結 PID算法控制電機調試結 互補濾波法調試結 卡爾曼濾波法調試結 總結與展 附錄A主控板原理圖與PCB 附錄B電機驅動原理圖與PCB 附錄C主要源程 參考文 致 研究目的和意兩輪自平衡機器積小，運動靈活，能夠在比較狹窄、需要大轉角的場合中運動[1]。國內外發展現兩輪自平衡機器人的構想來源于電氣通信的喀左教授在1986年一種自2002年，工業大學的FelixGrasser等人設計出可的兩輪自平衡機器人，運動速度可達到1.5m/s。兩輪共軸，每個有獨立的驅動，能實現速度控制、2002年，的賽格威公司設計了第一輛載人電動平衡車Segway，設計時速可20km/h，并且成功推向市場，但是價格昂貴，高達5000[3]2004設計了一款兩輪自平衡電動代步車，可實現領半徑轉彎。使用簡單，用戶經過10分鐘簡單的練習就可以駕駛，正常工作時，使用者通過身體前傾和后仰來控制加速和，通過手柄，可實現轉彎，時速可達10km/h,30km。設計內使用ARMCortex-M4內核的FreescaleK60單片機為主控制器，對加速度計和陀螺儀的數據進行融合，得到車身傾角最優估計，設計MOS電機驅動電路，編寫PID控制算法控制車輪，達到自主直立的目的。利用編構成速度反饋回路，使用PID控制算法設計思2.1硬件設計方鍵電路蜂鳴器電路其中電源管理電路分為3.3V電源管理電路和5V電源管理電路，5V管理電路使用LM2940三端線性穩壓器，輸入7.2V電池電壓，輸出5V電壓。3.3V管理電路使用LM1117三端線性穩壓器，輸入接LM2940的5V電壓，輸出3.3V電壓。考慮到本系統中器件、傳感器較多，因此5V管理電路和3.3V管理電路均使用兩個。微控制器接口主要包括：OLED接口、藍牙接口、MMA7361傳感器接口、L3G4200D傳感器接口、編正交接口2個、四通道 接口、接口，以及預留IO，方便調試圖2.2機械結構設計方的角度安裝在輪軸，使用熱熔膠加以固定。圖2.3單片機最小系統電K60(ARMCortex-M4耗、混合信號微控制器，Cortex-M4內核帶DSP指令，性能可達1.25DMIPS/MHz(部分本系統使用MK60FX512VLQ15單片機為控制，該單片機主頻高達150MHz，內部512KBFlash、144KBSRAM，可以輕松應對大多數的嵌入式應用場合。片內集成了4個可配置分辨率的高速16位模數轉換器（ADC）、兩個12位數模轉換器（ADC）、4個可輸出的高速比較器、6個支持IrDA的UART、3個硬件IIC總線接口和3個硬SPI總線接口、32通道DMA控制器以及大量的多功能定時器，豐富的片內外設資源，不式，運行功耗低至350uA/MHz,靜態功耗低至5.6uA，在高性能應用場合也可有效降低系[8]LQFP144圖3.1主 加速度傳感器模MMA7361是公司（原飛思卡爾）的微型電容式加速度傳感器，其功耗低，體2.2-3.6V400uA，3uAMMA7361的引腳圖如下圖3-1所示，引腳排列如下表3.1所示引12引12X3Y4Z5地6789g-3.2MMA7361陀螺儀模L3G4200D16具有三種可選分辨率（250/500/2000dps），集成高通、低通濾波器，用戶可帶2.4-3.6V，通過IIC/SPI接口輸出數據。3.3L3G4200D電機驅動模采用集成電機驅動使用集成電機驅動設計（常用的電機驅動有BTS7970、L298N等），電路簡單、可靠性高，但是驅動的性能有限。由于本系統車模的電機的內阻小于10毫歐，而集成驅動內部的每個場效應管導通電阻在120毫歐以上，這樣，電機驅動回路總電阻就太大了，驅動電路的輸出功率和發熱量都很大，電機性能得不到充分發揮。采用N溝道場效應管和柵極驅動設計，分立的N溝道場效應管的導通電阻很低，一般小于10毫歐，大大減小了電機驅動回路總電阻。另外的柵極驅動可以提高場效應管的開關速度，使控制方式的調制頻率提高，從而減少電樞電流脈動[9]。，經過多次試驗與調試，我們最終選用大電路電機半橋驅動IR2184，它可以驅動高端和兩個N溝道場效應管能提供較大的柵極驅動電流并具有硬件死區、硬件防同臂導通等功能使用兩片IR2184型半橋驅動可以組成完整的直流電機H橋式驅動電路。其性能優異、價格便宜，所以我們選擇它進行設計10]。電源管理模（7805LM2940LM1117和開關（LM2596LM2941較低，因此應該選擇開關型穩壓電源[1]。LM2940:LM2940-5.05V，1A，在輸出電流為1A時，最小輸入輸出電壓差為0.8V，最大輸入電壓為26V。工作溫度-LM1117：LM1117是一個低壓差線性三端穩壓5個固定電壓輸出的型號：1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V。當其在輸出電壓3.3V，輸出電流為800mA時輸入輸出電壓差1.2V。LM1117±1%，輸出端需要一個至少10uF的鉭電解電容來改善瞬態響應和穩定具有TO-263TO-220SOT-223和TO-2523.3VLM1117OLED12]。系統流程圖4.1程序初始化LEDLED轉換器進行，MK60單片機內部集成4個16位ADC轉換器，通道多達數十個，分辨 ADC_QuickInit(ADC_ACCEL_Z,kADC_SingleDiff10or11);//單端10OLED_P8x16Str(0,2,"oWorld!");初始化：本系統通過控制電機轉動，頻率10Khz，初始化程序如下:UARTDMA初始化：UART即通用異步收發器（UniversalAsynchronous便進行調試和觀測數據。DMA指直接器技術（DirectMemoryAccess），GPIO_CallbackInstall(KEY_GPIO,GPIOA_ISR);//按鍵中斷回調函數Cortex-能，即estedVectoredInterruptController的縮寫。通過NVIC控制器，可NVIC_EncodePriority(NVIC_PriorityGroup_2,0,0));PID控制算法PID圖4.2PIDPID控制器的微分方程U(t)Kp[e(t)1te(t)dtTde(t)r(tc(t

Ti

PID

D(s)=U(s)

1Ti*

Td*S]

數字式PIDU(n)Up(n)Ui(n)Ud(n)

Up(n)

nUi(n)KpTn

Ud(n)Kp*Td[e(n)e(nT

Ti

P PI PD PID

U(n)Up(n)U(n)Up(n)Ui(n)U(n)Up(n)Ud(n)U(n)Up(n)Ui()Ud(n)PIDPIDU(n)Kp{e(n) ne(i)Td[e(n)e(nTT

PIDU(n)=U(n)-U(n-=Kp[e(n)e(n1)]KpTe(n)KpTd[e(n)2e(n1)e(n= PIDPID的參數整定是PID控制算法設計的內容，根據系統的特性確定PID控制器的比例系數Kp、積分時間Ti和微分時間Td。PID的參數整定方法有很多，概括起來有PID參數的工程整定法，主要有臨界比例法、反應曲和衰減法。三種方法各有PIDPIDPIDKpPIDTi=0、Td=0，PID60%~70%，0Kp，Kp輸出振蕩，記下此時的比例系數Kp，設定比例系數Kp為當前記錄值得60%~70%。KpTi，Ti，直到系統出現振蕩，然后再逐漸加大Ti，直到系統振蕩。記下此時的積分時間常數Ti，PID控制器的Ti150%~180%。TdKpTi30%PID4.3①arctan(X/Z②arcsin(X/③arccos(Z/INS[23]。K1dt，直到滿意為止。其中，K1K1[24]float // voidYijie_Lvbo(floataccel_pro,floatgyro_pro){angle=K*accel_pro+(1-K)*(angle+gyro_pro*}卡爾曼濾波法源于匈牙利數學家RudolfEmilKalman的《ANewApproachtoLinearFilteringandPredictionProblems》（線性濾波與預測問題的新方法）?？績A角的情況下，設定目標平衡角度，使用PID算法進行閉環控制。因為車體只會在一轉動，抵消車體在該維度上的傾斜，就可以完成平衡控制[27]2.2.14.4L，mx(t)。如4.5a(t)以及外x(t)之間的運動方程。4.5

g g a(t)cos[

在角度很小時，運動方程簡化

g(t)a(t)

dt

2.2.34.64.7void{angle_Accel=(A_Z-AZ_ZERO);angle_Accel=asin(angle_Accel);Gyro_Now=(T_Y-TY_OFFSET)* elseif(FilterSwitch==1) elseif(FilterSwitch==2) elseif(FilterSwitch==3) {}{}

elseif(AngleControlOut_D<-500)AngleControlOut_D=-500;if(AngleControlOut>800)AngleControlOut=800;}改變車模直立控制的目標角度，直立控制PD算法中，有一個目標傾角，當目標傾角不是真正的平衡位置傾角時，車模會一直運動。通過編測量轉速，形成PID很難維持平衡，在直立控制的作用下，車模就會運行。通過編測量轉速，形成PID4.8void{if(SpeedControlOut>300)SpeedControlOut=300;//速度環輸出限幅elseif(SpeedControlOut<-300)SpeedControlOut=-300;}PD具備自主識別路徑的功能，因此PD算法的輸入參數使用完成。為了改善轉向的PDe(t)-e(t-1)，X4.9voidDirection_Calculate(int16_t{if(DIR.error_sum>2000)DIR.error_sum=2000;elseif(DIR.error_sum<-2000)DIR.error_sum=-2000;DirectionControlOut=DIR.P*DIR.error++DIR.D*(T_X-if(DirectionControlOut>300)DirectionControlOut=300;elseif(DirectionControlOut<-300)DirectionControlOut=-}開發工具介MDKMDKKeilARMCortex-MCortex-R4ARM7ARM9、調試，支持C/C++語言和匯編語言，并且可以聯合編寫，編譯效率高，具有多種優化等級，用于開發大多數嵌入式軟件非常方便。MDKARMC/C++Cortex-M0/M3/M4、Cortex-R4、ARM7ARM9KeilRTXTCP/IPUSBUSBGUIMDKCMSIS(CortexSerialDigitalScopeSerialDigitalScope數據分析功能，支持最大波特率115200。協議簡單可靠，具備CRC校驗功能，可以很方調試結PID為了學習和驗證PID算法，設計了位置式PID算法在電機空載情況下進試，PID圖5.1PID算法方波效圖5.2PID算法鋸齒波效圖5.3PID算法正弦波效互補濾波主要調節的是對于加速度計的K,K越大，則速度越快，但濾波效果越差。根據需要，選擇適合系統的K系數。下面兩幅圖分別為K=0.01,和K=0.05時當K=0.01時，濾波效果更明顯，平滑度很高。當K=0.05時 效果好，平滑度差5.4（K=0.015.55.6人，兩輪自平衡機器積小，運動靈活，能夠在比較狹窄、需要大轉角的場合中運本設計以32位微控制器MK60FX512VLQ15為，自行設計了主控電路板和電機驅動電路板，以兩輪車模為研究平臺，編寫CPIDOLED藍牙可以將系統同外部設備如電腦等連接起來可進行無線控制和調試通過可以控制自平衡機器人運動如果加入環境識別系統如頭CCD紅外對難達到較高水平。2）PIDPIDPIDPIDA主控板原理圖與PCBB電機驅動原理圖與PCBCint{uint8_tdirswitchtemp,spswitchtemp;{ {spswitchtemp=SpeedControlSwitch;}}}void{staticuint16_tFindZeroIndex=0;{}{systime_speed=0;Sp_Smooth=0.05;//}{{{}}}}void{/*******DMP用到了printf*********///**********LED初始化，用作系統運行指示***********///********OLED初始化**************///**************模擬加速度計陀螺儀初始化 ////**************IIC及L3G4200D\HMC5883初始化******************//{} /****DMP數據輸出中斷*/ //DMP輸出輸出中斷/****************初始化*****************//**************FTM正交初始化/***********初始化位脈沖-方向型編入//**********************按鍵中端配置//*****************PIT定時中斷初始化*****************//*******************NVIC配置****************/ //中斷優先級分成2組NVIC_SetPriority(PIT0_IRQn,NVIC_EncodePriority(NVIC_PriorityGroup_2,1,NVIC_SetPriority(PORTE_IRQn,NVIC_EncodePriority(NVIC_PriorityGroup_2,2,OLED_P8x16Str(0,2,"o}[1],,,等.移動機器人技術研究現狀與未來[J].機器人,2002,黃永志,.兩輪移動機器人運動控制系統的設計與實現[J].機器人,1:40-梁棟,尹曉紅,王夢晴.移動機器人研究現狀及發展趨勢[J].科技信息2014(9):33-.兩輪自平衡機器人控制系統研究與設計[D].哈爾濱工業大學,.兩輪自平衡小車的控制技術研究[D].西安電子科技大學,PathakK,FranchJ,AgrawalSK.Velocityandpositioncontrolofawheeledinvertedpendulumbypartialfeedbacklinearization[J].IEEETransactionsonRobotics,2005,賴義漢,王凱.基于MPU6050的雙輪平衡車控制系統設計[J].學報：自然科學版,2014,01期(1):53-57.K60Sub-FamilyReferenceManual. .,杜楊,,等.基于場效應管的直流電機驅動控制電路設計[J].電子設計工程,2008(2):3-6.卓晴.學做智能車[M].航空航天大學,.嵌入式硬件系統設計與開發實例詳解[M].電子工業,徐亮,阮江軍,甘艷,等.去耦電容在PCB板設計中的應用[J].電測與儀表2002,楊東軒.ARMCortex-M4筆記[M].航空航天大學,ARMCortex-M4DevicesGenericUserGuide.劉金琨.先進PID控 仿真(第3版)[M].電子工業,歷風滿.數字PID控制算法的研究[J].遼寧大學學報:自然科學版,2005,GudeJJ,Kahoraho ysisandPerformanceComparisonofPIDandFractionalControllers[J].Dynamics&ControlofProcessSystems,YoshikazuNishikawaNobuoSannomiyaTokujiOhta,等Amethodforauto-tuningofPIDcontrolparameters[J]