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      基于xs128的光電平衡智能車系統(tǒng)設(shè)計

      2014-07-09 15:44:18嚴(yán)起邦譚峰張洪來鄧世楠王涵曹新芳
      科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2014年20期
      關(guān)鍵詞:智能車

      嚴(yán)起邦+譚峰+張洪來+鄧世楠+王涵+曹新芳

      摘 要:文章旨在研制一種自平衡同軸雙輪循跡小車。系統(tǒng)以陀螺儀和加速度計來檢測車身所處的狀態(tài)和變化率,通過處理器(16位飛思卡爾單片機(jī)MC9S12XS128)計算出適當(dāng)數(shù)據(jù)和指令,通過PWM驅(qū)動兩個電機(jī)產(chǎn)生前進(jìn)或后退的加速度使車達(dá)到保持平衡效果,以線性CCD光電傳感器來識別黑線檢測路徑,闡述了自平衡的原理同時對系統(tǒng)用到的PID控制技術(shù)做了相應(yīng)介紹,從理論上分析了變積分的PID控制技術(shù)的優(yōu)勢,并在系統(tǒng)的實(shí)際測試中獲得了良好的效果。

      關(guān)鍵詞:光電平衡;xs128;智能車

      1 引言

      隨著智能化的發(fā)展,汽車的智能化、自動化是社會發(fā)展的必然趨勢。通過項(xiàng)目的研究使兩輪自平衡小車能夠智能的識別道路、加速、轉(zhuǎn)彎、避障等復(fù)雜路況,實(shí)現(xiàn)智能駕駛。同時兩輪自平衡小車使得車體更加靈活、減少交通擁堵、停車?yán)щy等實(shí)際生活問題,對于提高人們的生活水平有實(shí)際意義,最終設(shè)計小車在規(guī)定路徑上實(shí)現(xiàn)自動尋跡、智能壁障等功能。

      2 平衡車原理

      通過對單擺進(jìn)行受力分析可知,單擺能夠穩(wěn)定在垂直位置的條件有兩個:受到與位移(角度)相反的恢復(fù)力;受到與運(yùn)動速度相反的阻尼力??刂频沽[底部車輪,使得它作加速運(yùn)動。這樣站在小車上看倒立擺,它在受到與車輪加速度大小成正比方向相反的慣性力的影響。 普通的單擺受力分析如圖1所示。

      當(dāng)物體離開垂直的平衡位置之后,便會受到重力與懸線的作用合力,驅(qū)動重物回復(fù)平衡位置。這個力稱之為回復(fù)力,其大小為F=-mgsin?茲≈-mg?茲,在此回復(fù)力F作用下,單擺便進(jìn)行周期運(yùn)動。在空氣中運(yùn)動的單擺,由于受到空氣的阻尼力,單擺最終會停止在垂直平衡位置。空氣的阻尼力與單擺運(yùn)行速度成正比,方向相反。阻尼力越大,單擺越會盡快在垂直位置穩(wěn)定下來。

      這樣倒立擺所受到的回復(fù)力為:

      式中,假設(shè)偏角θ與控制車輪加速度成正比,比例為k1。如果k1>g那回復(fù)力與位移的方向相反。另外,增加阻尼力能讓倒立擺盡快回到原位置,阻尼力與偏角的速度成正比,方向相反。因此式(1)可變?yōu)椋?/p>

      將倒立擺模型轉(zhuǎn)換成單擺模型,使擺能夠穩(wěn)定在豎直位置。從而得到控制平衡車車輪加速度的控制算法

      3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

      3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

      硬件整體框圖如圖2所示。智能車由電源模塊、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)等組成。智能車的工作過程:由線性CCD探測路徑信息,歐姆龍檢測當(dāng)前車速,將各個傳感器采集來的信息交給處理器處理,通過控制算法得出PWM,來控制電機(jī)驅(qū)動模塊輸出相應(yīng)的控制電壓,達(dá)到控制平衡、轉(zhuǎn)向、循跡的功能。

      電機(jī)驅(qū)動電路如圖3所示,采用2片BTN7970組成一個完整的H橋驅(qū)動電路驅(qū)動l路有刷直流電機(jī),P0、P2端分別接電機(jī)的兩端,BTN 1腳端接下拉電阻,PWM1與PWM5分別輸出非零占空比和零占空比的PWM,讓半橋各有一個導(dǎo)通,組成一個回路,電機(jī)驅(qū)動模塊由橋構(gòu)成,H橋具有工作電壓范圍大,導(dǎo)通電阻小,導(dǎo)通電流大的優(yōu)點(diǎn)。

      3.2 PID控制原理

      連續(xù)控制系統(tǒng)中PID控制規(guī)律如下:

      其中 是偏差信號為零時的控制作用,是控制量的基準(zhǔn);利用外接矩形進(jìn)行數(shù)值微分,當(dāng)選定采樣周期為T時,式(4)可離散為下面的差分方程

      增量式PID算式,

      于是:

      式(7)的計算結(jié)果,得出第k與第k-1次的輸出之間的增量,所以稱為增量算式。利用增量算式來控制執(zhí)行程序,執(zhí)行程序每次只增加一個增量,所以執(zhí)行對象只是起到一個累加的作用。

      4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

      MC9S12DG128 微控制單元作為MC9S12系列的16位單片機(jī),由標(biāo)準(zhǔn)片上外圍設(shè)備組成,同時,單片機(jī)內(nèi)的鎖相環(huán)電路可使能耗和性能適應(yīng)具體操作的需要。車模主程序框架如圖4所示。

      程序上電運(yùn)行后,便進(jìn)行單片機(jī)的初始化,包括單片機(jī)需要用到的資源進(jìn)行初始化和應(yīng)用程序初始化。

      將車體角度和角速度乘以各自相對應(yīng)的系數(shù)得出直立控制的輸出量。程序算法框圖如圖5所示。

      直立控制算法部分代碼如下:

      5 結(jié)束語

      整車在方案設(shè)計、硬件搭建、機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整、軟件編程調(diào)試、整體開發(fā)流程中,每一步都會遇到各種各樣的問題,硬件分模塊屏蔽調(diào)試,直到穩(wěn)定,機(jī)械結(jié)構(gòu)理論分析,不同方案試用對比,軟件優(yōu)化各個控制參數(shù),通過進(jìn)一步對控制算法的改進(jìn)提高車模的運(yùn)行速度,實(shí)際測試效果良好。

      參考文獻(xiàn)

      [1]馮智勇,曾瀚,張力,趙亦欣,黃偉.基于陀螺儀及加速度計信號融合的姿態(tài)角度測量[J].西南師范大學(xué)學(xué)報,2011,36(4):137-141.

      [2]陳靜.兩輪自平衡機(jī)器人模型及控制方法研究[D].北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008.

      [3]Rich Chi Ooi.Balancing a Two-Wheeled Autonomous Robot[D].The University of Western Australia Final Year Thesis,2003.

      [4]Gene F.Franklin,J.David Powell,Michael L.Workman.Digital Control of Dynamic Systems[M].北京:清華大學(xué)出社,2011.

      作者簡介:嚴(yán)起邦(1990-),男,學(xué)生,黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué),現(xiàn)主要從事兩輪平衡車方面研究學(xué)習(xí)。

      通訊作者:譚峰,男,教授,哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè),現(xiàn)主要從事智能化監(jiān)控技術(shù)的研究工作。endprint

      摘 要:文章旨在研制一種自平衡同軸雙輪循跡小車。系統(tǒng)以陀螺儀和加速度計來檢測車身所處的狀態(tài)和變化率,通過處理器(16位飛思卡爾單片機(jī)MC9S12XS128)計算出適當(dāng)數(shù)據(jù)和指令,通過PWM驅(qū)動兩個電機(jī)產(chǎn)生前進(jìn)或后退的加速度使車達(dá)到保持平衡效果,以線性CCD光電傳感器來識別黑線檢測路徑,闡述了自平衡的原理同時對系統(tǒng)用到的PID控制技術(shù)做了相應(yīng)介紹,從理論上分析了變積分的PID控制技術(shù)的優(yōu)勢,并在系統(tǒng)的實(shí)際測試中獲得了良好的效果。

      關(guān)鍵詞:光電平衡;xs128;智能車

      1 引言

      隨著智能化的發(fā)展,汽車的智能化、自動化是社會發(fā)展的必然趨勢。通過項(xiàng)目的研究使兩輪自平衡小車能夠智能的識別道路、加速、轉(zhuǎn)彎、避障等復(fù)雜路況,實(shí)現(xiàn)智能駕駛。同時兩輪自平衡小車使得車體更加靈活、減少交通擁堵、停車?yán)щy等實(shí)際生活問題,對于提高人們的生活水平有實(shí)際意義,最終設(shè)計小車在規(guī)定路徑上實(shí)現(xiàn)自動尋跡、智能壁障等功能。

      2 平衡車原理

      通過對單擺進(jìn)行受力分析可知,單擺能夠穩(wěn)定在垂直位置的條件有兩個:受到與位移(角度)相反的恢復(fù)力;受到與運(yùn)動速度相反的阻尼力??刂频沽[底部車輪,使得它作加速運(yùn)動。這樣站在小車上看倒立擺,它在受到與車輪加速度大小成正比方向相反的慣性力的影響。 普通的單擺受力分析如圖1所示。

      當(dāng)物體離開垂直的平衡位置之后,便會受到重力與懸線的作用合力,驅(qū)動重物回復(fù)平衡位置。這個力稱之為回復(fù)力,其大小為F=-mgsin?茲≈-mg?茲,在此回復(fù)力F作用下,單擺便進(jìn)行周期運(yùn)動。在空氣中運(yùn)動的單擺,由于受到空氣的阻尼力,單擺最終會停止在垂直平衡位置??諝獾淖枘崃εc單擺運(yùn)行速度成正比,方向相反。阻尼力越大,單擺越會盡快在垂直位置穩(wěn)定下來。

      這樣倒立擺所受到的回復(fù)力為:

      式中,假設(shè)偏角θ與控制車輪加速度成正比,比例為k1。如果k1>g那回復(fù)力與位移的方向相反。另外,增加阻尼力能讓倒立擺盡快回到原位置,阻尼力與偏角的速度成正比,方向相反。因此式(1)可變?yōu)椋?/p>

      將倒立擺模型轉(zhuǎn)換成單擺模型,使擺能夠穩(wěn)定在豎直位置。從而得到控制平衡車車輪加速度的控制算法

      3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

      3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

      硬件整體框圖如圖2所示。智能車由電源模塊、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)等組成。智能車的工作過程:由線性CCD探測路徑信息,歐姆龍檢測當(dāng)前車速,將各個傳感器采集來的信息交給處理器處理,通過控制算法得出PWM,來控制電機(jī)驅(qū)動模塊輸出相應(yīng)的控制電壓,達(dá)到控制平衡、轉(zhuǎn)向、循跡的功能。

      電機(jī)驅(qū)動電路如圖3所示,采用2片BTN7970組成一個完整的H橋驅(qū)動電路驅(qū)動l路有刷直流電機(jī),P0、P2端分別接電機(jī)的兩端,BTN 1腳端接下拉電阻,PWM1與PWM5分別輸出非零占空比和零占空比的PWM,讓半橋各有一個導(dǎo)通,組成一個回路,電機(jī)驅(qū)動模塊由橋構(gòu)成,H橋具有工作電壓范圍大,導(dǎo)通電阻小,導(dǎo)通電流大的優(yōu)點(diǎn)。

      3.2 PID控制原理

      連續(xù)控制系統(tǒng)中PID控制規(guī)律如下:

      其中 是偏差信號為零時的控制作用,是控制量的基準(zhǔn);利用外接矩形進(jìn)行數(shù)值微分,當(dāng)選定采樣周期為T時,式(4)可離散為下面的差分方程

      增量式PID算式,

      于是:

      式(7)的計算結(jié)果,得出第k與第k-1次的輸出之間的增量,所以稱為增量算式。利用增量算式來控制執(zhí)行程序,執(zhí)行程序每次只增加一個增量,所以執(zhí)行對象只是起到一個累加的作用。

      4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

      MC9S12DG128 微控制單元作為MC9S12系列的16位單片機(jī),由標(biāo)準(zhǔn)片上外圍設(shè)備組成,同時,單片機(jī)內(nèi)的鎖相環(huán)電路可使能耗和性能適應(yīng)具體操作的需要。車模主程序框架如圖4所示。

      程序上電運(yùn)行后,便進(jìn)行單片機(jī)的初始化,包括單片機(jī)需要用到的資源進(jìn)行初始化和應(yīng)用程序初始化。

      將車體角度和角速度乘以各自相對應(yīng)的系數(shù)得出直立控制的輸出量。程序算法框圖如圖5所示。

      直立控制算法部分代碼如下:

      5 結(jié)束語

      整車在方案設(shè)計、硬件搭建、機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整、軟件編程調(diào)試、整體開發(fā)流程中,每一步都會遇到各種各樣的問題,硬件分模塊屏蔽調(diào)試,直到穩(wěn)定,機(jī)械結(jié)構(gòu)理論分析,不同方案試用對比,軟件優(yōu)化各個控制參數(shù),通過進(jìn)一步對控制算法的改進(jìn)提高車模的運(yùn)行速度,實(shí)際測試效果良好。

      參考文獻(xiàn)

      [1]馮智勇,曾瀚,張力,趙亦欣,黃偉.基于陀螺儀及加速度計信號融合的姿態(tài)角度測量[J].西南師范大學(xué)學(xué)報,2011,36(4):137-141.

      [2]陳靜.兩輪自平衡機(jī)器人模型及控制方法研究[D].北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008.

      [3]Rich Chi Ooi.Balancing a Two-Wheeled Autonomous Robot[D].The University of Western Australia Final Year Thesis,2003.

      [4]Gene F.Franklin,J.David Powell,Michael L.Workman.Digital Control of Dynamic Systems[M].北京:清華大學(xué)出社,2011.

      作者簡介:嚴(yán)起邦(1990-),男,學(xué)生,黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué),現(xiàn)主要從事兩輪平衡車方面研究學(xué)習(xí)。

      通訊作者:譚峰,男,教授,哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè),現(xiàn)主要從事智能化監(jiān)控技術(shù)的研究工作。endprint

      摘 要:文章旨在研制一種自平衡同軸雙輪循跡小車。系統(tǒng)以陀螺儀和加速度計來檢測車身所處的狀態(tài)和變化率,通過處理器(16位飛思卡爾單片機(jī)MC9S12XS128)計算出適當(dāng)數(shù)據(jù)和指令,通過PWM驅(qū)動兩個電機(jī)產(chǎn)生前進(jìn)或后退的加速度使車達(dá)到保持平衡效果,以線性CCD光電傳感器來識別黑線檢測路徑,闡述了自平衡的原理同時對系統(tǒng)用到的PID控制技術(shù)做了相應(yīng)介紹,從理論上分析了變積分的PID控制技術(shù)的優(yōu)勢,并在系統(tǒng)的實(shí)際測試中獲得了良好的效果。

      關(guān)鍵詞:光電平衡;xs128;智能車

      1 引言

      隨著智能化的發(fā)展,汽車的智能化、自動化是社會發(fā)展的必然趨勢。通過項(xiàng)目的研究使兩輪自平衡小車能夠智能的識別道路、加速、轉(zhuǎn)彎、避障等復(fù)雜路況,實(shí)現(xiàn)智能駕駛。同時兩輪自平衡小車使得車體更加靈活、減少交通擁堵、停車?yán)щy等實(shí)際生活問題,對于提高人們的生活水平有實(shí)際意義,最終設(shè)計小車在規(guī)定路徑上實(shí)現(xiàn)自動尋跡、智能壁障等功能。

      2 平衡車原理

      通過對單擺進(jìn)行受力分析可知,單擺能夠穩(wěn)定在垂直位置的條件有兩個:受到與位移(角度)相反的恢復(fù)力;受到與運(yùn)動速度相反的阻尼力??刂频沽[底部車輪,使得它作加速運(yùn)動。這樣站在小車上看倒立擺,它在受到與車輪加速度大小成正比方向相反的慣性力的影響。 普通的單擺受力分析如圖1所示。

      當(dāng)物體離開垂直的平衡位置之后,便會受到重力與懸線的作用合力,驅(qū)動重物回復(fù)平衡位置。這個力稱之為回復(fù)力,其大小為F=-mgsin?茲≈-mg?茲,在此回復(fù)力F作用下,單擺便進(jìn)行周期運(yùn)動。在空氣中運(yùn)動的單擺,由于受到空氣的阻尼力,單擺最終會停止在垂直平衡位置??諝獾淖枘崃εc單擺運(yùn)行速度成正比,方向相反。阻尼力越大,單擺越會盡快在垂直位置穩(wěn)定下來。

      這樣倒立擺所受到的回復(fù)力為:

      式中,假設(shè)偏角θ與控制車輪加速度成正比,比例為k1。如果k1>g那回復(fù)力與位移的方向相反。另外,增加阻尼力能讓倒立擺盡快回到原位置,阻尼力與偏角的速度成正比,方向相反。因此式(1)可變?yōu)椋?/p>

      將倒立擺模型轉(zhuǎn)換成單擺模型,使擺能夠穩(wěn)定在豎直位置。從而得到控制平衡車車輪加速度的控制算法

      3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

      3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

      硬件整體框圖如圖2所示。智能車由電源模塊、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)等組成。智能車的工作過程:由線性CCD探測路徑信息,歐姆龍檢測當(dāng)前車速,將各個傳感器采集來的信息交給處理器處理,通過控制算法得出PWM,來控制電機(jī)驅(qū)動模塊輸出相應(yīng)的控制電壓,達(dá)到控制平衡、轉(zhuǎn)向、循跡的功能。

      電機(jī)驅(qū)動電路如圖3所示,采用2片BTN7970組成一個完整的H橋驅(qū)動電路驅(qū)動l路有刷直流電機(jī),P0、P2端分別接電機(jī)的兩端,BTN 1腳端接下拉電阻,PWM1與PWM5分別輸出非零占空比和零占空比的PWM,讓半橋各有一個導(dǎo)通,組成一個回路,電機(jī)驅(qū)動模塊由橋構(gòu)成,H橋具有工作電壓范圍大,導(dǎo)通電阻小,導(dǎo)通電流大的優(yōu)點(diǎn)。

      3.2 PID控制原理

      連續(xù)控制系統(tǒng)中PID控制規(guī)律如下:

      其中 是偏差信號為零時的控制作用,是控制量的基準(zhǔn);利用外接矩形進(jìn)行數(shù)值微分,當(dāng)選定采樣周期為T時,式(4)可離散為下面的差分方程

      增量式PID算式,

      于是:

      式(7)的計算結(jié)果,得出第k與第k-1次的輸出之間的增量,所以稱為增量算式。利用增量算式來控制執(zhí)行程序,執(zhí)行程序每次只增加一個增量,所以執(zhí)行對象只是起到一個累加的作用。

      4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

      MC9S12DG128 微控制單元作為MC9S12系列的16位單片機(jī),由標(biāo)準(zhǔn)片上外圍設(shè)備組成,同時,單片機(jī)內(nèi)的鎖相環(huán)電路可使能耗和性能適應(yīng)具體操作的需要。車模主程序框架如圖4所示。

      程序上電運(yùn)行后,便進(jìn)行單片機(jī)的初始化,包括單片機(jī)需要用到的資源進(jìn)行初始化和應(yīng)用程序初始化。

      將車體角度和角速度乘以各自相對應(yīng)的系數(shù)得出直立控制的輸出量。程序算法框圖如圖5所示。

      直立控制算法部分代碼如下:

      5 結(jié)束語

      整車在方案設(shè)計、硬件搭建、機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整、軟件編程調(diào)試、整體開發(fā)流程中,每一步都會遇到各種各樣的問題,硬件分模塊屏蔽調(diào)試,直到穩(wěn)定,機(jī)械結(jié)構(gòu)理論分析,不同方案試用對比,軟件優(yōu)化各個控制參數(shù),通過進(jìn)一步對控制算法的改進(jìn)提高車模的運(yùn)行速度,實(shí)際測試效果良好。

      參考文獻(xiàn)

      [1]馮智勇,曾瀚,張力,趙亦欣,黃偉.基于陀螺儀及加速度計信號融合的姿態(tài)角度測量[J].西南師范大學(xué)學(xué)報,2011,36(4):137-141.

      [2]陳靜.兩輪自平衡機(jī)器人模型及控制方法研究[D].北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008.

      [3]Rich Chi Ooi.Balancing a Two-Wheeled Autonomous Robot[D].The University of Western Australia Final Year Thesis,2003.

      [4]Gene F.Franklin,J.David Powell,Michael L.Workman.Digital Control of Dynamic Systems[M].北京:清華大學(xué)出社,2011.

      作者簡介:嚴(yán)起邦(1990-),男,學(xué)生,黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué),現(xiàn)主要從事兩輪平衡車方面研究學(xué)習(xí)。

      通訊作者:譚峰,男,教授,哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè),現(xiàn)主要從事智能化監(jiān)控技術(shù)的研究工作。endprint

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