平行双轮电动车及其控制系统的研究
双轮平衡车控制系统的设计
双轮平衡车控制系统的设计摘要随着时代的发展，人们生活质量的提高，双轮平衡车已经成为越来越流行的交通工具，目前双轮平衡车的发展已经成为未来交通工具发展的重要方向。
在实际使用中，双轮平衡车的反应速度，稳定性已是制衡双轮平衡车使用体验的最重要指标。
为双轮平衡车提供一种高效准确的运动控制系统成为了拓展其应用范围的前提。
本文是在基于嵌入式微处理器平台上，选择姿态传感器，设计了一种低成本、高性能、高准确性的双轮平衡车的控制系统。
本文首先从双轮平衡车的理论基础开始研究双轮平衡车的控制系统，依据现代受力分析和动能理论对车体进行数学建模，在数学模型的基础上设计合理的控制算法。
之后设计双轮平衡车机械结构，主要分为车轮、车架、电机等机械结构。
在设计平衡车硬件电路时，主要使用ARM结构的微处理器处理算法并且控制整体电路模块，使用高效的姿态传感器MPU6050采集车体的姿态信息，采用电机驱动芯片驱动电机。
最后编制双轮平衡车控制系统的程序，采用卡尔曼滤波算法对采集到的姿态信息进行抗干扰处理。
通过计算，主控制器输出PWM波驱动电机维持系统整体稳定并保持姿态平衡。
本次设计实现了抗干扰能力强和高效稳定的平衡车控制系统，该平衡车系统不仅平稳运行，并可以成功从不稳定状态恢复平衡，基本实现了基本功能。
本次设计可以使双轮平衡车这种交通工具更好的符合人们的日常需求。
关键词双轮平衡车；数学模型；PID控制；卡尔曼滤波- I -Design of the Control System ofDoubleWheel Balance CarAbstractWith the development of the times,people's living standards gradually improve.Thedouble wheel balance car has become amore popular part in modern transportation field.The response speed and stability of the two double balancecars has gradually become an important index of check and balance the double wheel balance vehicle technical performance. For the two-wheel balancing car provides an efficient and accurate motion control system became the premise of expanding the scope of its applicationThis paper is based on embedded microcontroller processor platform,choice attitude sensor, designed a low cost, high performance, high accuracy ofthedouble wheel balancing car control system.This paper begins with the theory of two wheel balancing car.According to modernforce analysis andenergy theory to design a mathematical model. According to the mathematical model todesign reasonable control algorithm. Second, design a Reasonable mechanical structure, including wheels, frame and motor. Now the most important thing is to design the hardware circuit. The ARM structure is used as the main control unit, it is mainly used for the operation and control of other units. Using an efficient attitude sensor to collect right attitude information, this paper select MPU6050 as the attitude sensor. Motor drive chip is used to drive two motors. Finally, this paper programs the two wheel balance control program. Filtering the collected information by Kaman filtering. After calculation, the main controller outputs the PWM wave to drive motor to maintain the overall balance of the car body.The double wheel balance car has Strong anti-interference ability.The double wheel balance car can maintain body balance, it can quickly restore balance.It accords with basic conditionsand greatly improves the stability of the whole system. Achieve the basic function;the double wheel balance car meets the People's daily life.- II -Keywords double wheel balance car; mathematic model; PID control; kalman filtering- III -目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)1.1课题研究背景及意义 (1)1.2国内外双轮平衡车的发展现状 (2)1.3主要研究内容 (3)第二章系统总体设计及技术介绍 (5)2.1双轮平衡车总体设计方案 (5)2.2双轮平衡车受力分析以及动力学模型 (6)2.2.1双轮平衡车平衡的基本原理 (6)2.2.2车轮受力分析 (7)2.2.3车身受力分析 (9)2.2.4系统动能分析 (11)2.3PID控制算法 (16)2.3.1 PID控制系统简介 (16)2.3.2 PID控制算法原理 (16)2.4卡尔曼滤波算法 (22)2.4.1卡尔曼滤波简介 (22)2.4.2卡尔曼滤波原理 (23)2.4.3卡尔曼滤波实现 (24)2.5本章小结 (25)第三章系统硬件设计 (26)3.1双轮平衡车系统结构设计 (26)3.1.1平衡车机械机构设计 (26)3.1.2平衡车控制系统硬件设计方案 (27)3.2主控制器应用电路设计 (28)3.2.1Stm32处理器简介 (28)3.2.2主控制模块 (29)3.3无线通信模块电路设计 (30)3.3.1无线通信模块简介 (30)3.3.2无线通信模块 (31)3.4电源电路设计 (31)3.5硬件中的抗干扰措施 (33)3.6电机驱动电路设计 (33)3.7姿态传感器模块 (36)3.8本章总结 (38)第四章系统软件设计 (39)4.1软件设计总框图 (39)4.2电机测速方法 (41)4.2.1M法测速 (41)4.2.2T法测速 (42)4.3MPU6050通信程序 (42)4.4通信程序的设计 (43)4.5卡尔曼滤波程序设计 (44)4.6PID算法程序设计 (46)4.7本章小结 (47)第五章双轮自平衡车测试 (48)5.1双轮平衡车调试 (48)5.2PID控制系统测试 (48)5.3抗干扰试验 (50)5.4本章小结 (52)结论 (53)参考文献 (54)攻读硕士学位期间发表的学术成果 (57)致谢 (58)第一章绪论1.1课题研究背景及意义在当今世界，人们的交通方式的发展有着多样化的趋势，特别是时代的进步和发展，人们的交通工具已经不能只考虑速度、体积等方面，人们需要更可以用传感器反馈分析和智能控制和规划的自主交通工具[1]。
二轮平衡车控制系统研究与仿真
二轮平衡车控制系统研究与仿真作者：邢可轩，刘菁菁来源：《科技传播》 2018年第8期人类社会正在遭受能源危机、气候变暖、雾霾等一系列问题，造成这些问题的一个重要原因就是现代交通工具。
二轮平衡电动车研究的兴起，形成了一种新的电动代步交通工具，它结构简单，操作方便，清洁环保，备受科研人员的青睐，但是目前推广度不够高，主要原因是价格高昂。
价格昂贵主要因为二轮车控制难度大，在制作成本上投入较高，需要选择灵敏度高的相关传感器检测角度，配合精确的控制器，才能保证平稳稳定运行。
二轮平衡车衍生于倒立摆系统，其工作原理是依靠倾角传感器所检测的位姿和状态变化率结合控制算法来维持自身平衡。
同样具备非线性、本质不稳定等特点，是控制理论及其应用领域里经典问题。
研究二轮平衡车静止时自平衡能有效地反映控制中的许多问题，具有重要的理论价值和应用价值。
近几年，二轮平衡车的研究在各国都得到了快速发展，已经作为商业化产品投放到市场。
较为先进的有瑞士联邦技术学院研究的JOE 平衡车，它利用的状态反馈控制器；以及美国发明家Dean Kame研制的Segway 两轮平衡车，它建立在动态稳定的基本原理上，在各种环境下都可使用。
国内比较有名的是由香港易步科技生产的Robstep 易步车，经历多年的大力度资金投入和研究，最终打破国外的垄断技术，终于将产品从实验室推向了市场，并取得了良好的市场效应。
当前对二轮平衡车的控制方法大致分为：经典控制方法、现代控制方法和智能控制方法。
本文以二轮平衡车为研究对象，对其自平衡控制系统做出了相应研究。
首先在二轮平衡车控制系统的组成和控制原理的基础上，建立了数学模型，分析其稳定性，其次对二轮平衡车静止的反馈控制进行分析与说明，采用PID 控制算法进行控制。
最后在matlab R2009a 的simulink 库下对二轮平衡车自控系统的仿真模型进行了PID 自控系统的调试，寻找到合适的PID 参数，使平衡车稳定运行。
双轮驱动电动汽车电机控制系统的研究的开题报告
双轮驱动电动汽车电机控制系统的研究的开题报告一、选题背景及意义随着环保意识的不断提高，电动汽车逐渐成为了未来交通工具的主流之一。
而双轮驱动电动汽车电机控制系统是电动汽车的重要组成部分之一，控制着汽车的运行和性能。
因此，对双轮驱动电动汽车电机控制系统进行研究具有重要的现实意义和科学价值。
二、研究内容和目标本研究旨在对双轮驱动电动汽车电机控制系统进行深入研究，包括电机控制器的设计、电机模型的建立、运动控制策略的制定等方面。
具体包括以下内容：1. 双轮驱动电动汽车电机控制器的设计与实现。
针对电机控制器的软硬件结构进行设计，并进行测试和修改。
2. 建立双轮驱动电动汽车电机的数学模型。
通过对电机和轮胎的建模，构建双轮驱动电动汽车的运动学和动力学模型，为后面的控制器设计提供理论基础。
3. 制定双轮驱动电动汽车的运动控制策略。
根据电机模型和实际数据，设计适合双轮驱动电动汽车的运动控制策略，以提高汽车的稳定性和运行效率。
三、研究方法和技术路线本研究采用数学建模、仿真实验和实车试验相结合的方法，以STM32为平台，利用MATLAB/Simulink对双轮驱动电动汽车电机控制系统进行仿真实验，并进行实车试验，以验证系统的可行性和有效性。
具体的技术路线为：1. 对双轮驱动电动汽车进行系统分析，获得电机控制器的硬件结构，并进行设计。
2. 含拘束模型的双轮驱动电动汽车数学模型建立。
3. 结合双轮驱动电动汽车的运动特性、电机模型和控制策略，分析并设计合理的控制器算法。
4. 利用MATLAB/Simulink对双轮驱动电动汽车电机控制系统进行仿真实验。
5. 进行实车试验，对仿真实验结果进行验证和优化。
四、研究预期成果及应用前景本研究旨在研究双轮驱动电动汽车电机控制系统，通过对双轮驱动电动汽车的运动特性、电机模型和控制策略的研究，实现对电机控制器的优化和提高汽车的稳定性和运行效率，从而推进双轮驱动电动汽车的发展和应用。
本研究的应用前景较为广阔，可以作为电动汽车制造企业开展新技术新产品研发的参考，也可为政府制定相关政策提供决策依据。
两轮智能平衡小车研究思路和方法
两轮智能平衡小车研究思路和方法两轮智能平衡小车是一种应用于机器人领域的新兴技术。
该车可以在不借助外力的情况下，保持平衡状态并完成各种运动任务。
本文将介绍两轮智能平衡小车研究的思路和方法。
一、研究思路两轮智能平衡小车的研究思路是将传感器、控制器和电机组成一个可控制的系统。
系统监测小车的姿态和运动状态，并调整车身的倾斜角度和转速，以保持平衡状态。
具体思路如下：1. 对小车的电路进行设计和搭建，包括底层硬件协议和数据传输协议。
2. 选择和安装传感器，包括加速度计和陀螺仪。
通过这些传感器来获取小车的姿态和运动状态的信息。
3. 设计小车的控制器，包括将传感器获取的数据转换成控制信号的代码。
4. 设计和调试小车的电机驱动程序，以保证控制信号能够按照设定的方式正确地操作电机，并实现车身的平衡控制。
5. 完成小车的充电和充电管理系统。
二、研究方法两轮智能平衡小车的研究方法主要可以分为以下几个阶段：1. 车载装置安装：选择合适的传感器并将其安装在小车上。
同时，需要在小车上安装电池和充电系统。
2. 传感器校准和参数优化：通过收集和分析传感器的数据，可以校准传感器的误差，并对传感器的参数进行优化，以提高控制精度。
3. 控制器设计：开发适用于平衡车的控制器，并对控制器进行验证。
在设计控制器时，需要将传感器输出的数据进行滤波处理，并设置控制参数，以实现正确的运动控制。
4. 电机驱动程序设计和测试：为小车设计驱动程序，使其能够实现平稳的平衡控制，并能够实现必要的运动步态。
同时，需要进行严格的测试和验证，以确保小车在运动时能够保持平衡。
5. 性能测试：通过对小车进行不同场景的测试，可以评估平衡车系统的性能。
测试时需要考虑不同的地形和环境条件，以评估平衡车的实际应用情况。
三、总结两轮智能平衡小车研究是一个复杂的系统工程，需要涉及机械结构、电子技术、传感技术、控制系统等多个领域。
在研究中需要充分利用各种工具和方法，规划研究方向和目标，设计测试方案和方法，以实现高效的研究和开发。
双轮平衡车设计与控制系统研究
双轮平衡车设计与控制系统研究随着科技的进步和城市化的发展，出行方式也逐渐向着更加便捷和环保的方向发展。
目前，电动滑板车、电动自行车、共享单车等出行方式已经成为了人们生活中不可或缺的一部分。
其中，双轮平衡车作为一种新型交通工具，已经逐渐地走进人们的生活，成为一种新时代的代步方式。
双轮平衡车是一种基于倒立摆原理的电动车辆。
双轮平衡车的设计和控制系统分别起着极其重要的作用。
其中，设计是保证车辆稳定性的重要因素，控制系统则是保证车辆动态性能的关键。
本文将对双轮平衡车的设计与控制系统进行研究。
一、双轮平衡车的设计双轮平衡车的设计需要考虑对称性、重心、车宽、车高、灵活性等因素。
其中，对称性和重心是保证车辆稳定性的关键。
在设计双轮平衡车时，需要使车的上下对称性尽量完美，并使车的重心尽量靠近车轮的轴心，这样车辆才能够更好地保持平衡。
另外，车宽和车高也是设计过程中需要考虑的因素。
车宽过大会影响车辆的操控性，而车高过高则会影响车辆的稳定性。
因此，在设计过程中需要探索出适合双轮平衡车的车宽和车高的最佳比例。
同时，双轮平衡车需要拥有一定的灵活性，以便于车辆在不同路况下更好地适应。
二、双轮平衡车的控制系统双轮平衡车的控制系统是保证车辆动态性能的重要因素。
控制系统包括传感器、控制器、电机和电池等四个部分。
它们之间互相配合，相互影响，保证了车辆在运行过程中的稳定性。
传感器负责感知车辆的角度、速度、加速度等信息。
传感器通过反馈这些信息给控制器，控制器再根据这些信息对电机进行控制，使车辆能够维持平衡。
电机则是提供驱动力的关键，它通过电池进行动力转换，将电能转化为机械能，带动车轮转动。
在控制系统中，控制器的设计和控制算法是至关重要的。
目前，常用的控制算法有PID算法和模糊控制算法。
PID算法是一种比较成熟的控制算法，它通过不断调整控制参数来调节车辆的平衡状态。
而模糊控制算法则是一种基于模糊逻辑的控制算法，它通过构建模糊规则库来控制车辆的平衡状态。
线控两轮平衡车的建模与控制研究
线控两轮平衡车的建模与控制研究Newly compiled on November 23, 2020线性系统理论上机实验报告题目：两轮平衡小车的建模与控制研究完成时间：2016-11-291.研究背景及意义现代社会人们活动范围已经大大延伸，交通对于每个人都十分重要。
交通工具的选择则是重中之重，是全社会关注的焦点。
随着社会经济的发展，人民生活水平的提高，越来越多的小汽车走进了寻常百姓家。
汽车快捷方便、省时省力，现代化程度高，种类繁多的个性化设计满足了不同人的需求。
但它体积大、重量大、污染大、噪声大、耗油大、技术复杂、使用不便、价格贵、停放困难，效率不高，而且还会造成交通拥堵并带来安全隐患。
相比之下，自行车是一种既经济又实用的交通工具。
中国是自行车大国，短距离出行人们常选择骑自行车。
自行车确实方便，但在使用之前需要先学会骑车，虽然看似简单，平衡能力差的人学起来却很困难，容易摔倒，造成人身伤害。
另外，自行车毕竟不适宜长距离的行驶，遥远的路程会使人感到疲劳。
那么，究竟有没有这样一种交通工具，集两者的优点于一身呢既能像汽车一样方便快捷又如自行车般经济简洁，而且操作易于掌握，易学又易用。
两轮自平衡车概念就是在这样的背景下提出来的。
借鉴目前国内外两轮自平衡车的成功经验，本文提出的研究目标是设计一款新型的、结构简单、成本低的两轮自平衡车，使其能够很好地实现自平衡功能，同时设计结果通过MATLAB 进行仿真验证。
2.研究内容自平衡式两轮电动车是一个非线性、强耦合、欠驱动的自不稳定系统，对其控制策略的研究具有重大的理论意义。
我们通过分析两轮平衡车的物理结构以及在平衡瞬间的力学关系，得到两轮车的力学平衡方程，并建立其数学模型。
运用MATLAB 和SIMULINK 仿真系统的角度θ、角加速度•θ、位移x 和速度的•x 变化过程，对其利用外部控制器来控制其平衡。
3.系统建模两轮平衡车的瞬时力平衡分析如图1所示。
下面将分析归纳此时的力平衡方程[1-3]，并逐步建立其数学模型。
双轮平衡车的控制系统硬件设计方案小车机器人论文
摘要双轮自平衡车是一个高度不稳定两轮机器人，是一种多变量、非线性、绝对不稳定的系统，需要在完成平衡控制的同时实现直立行走等任务因其既有理论意义又有实用价值，双轮自平衡小车的研究在最近十年引起了大量机器人技术实验室的广泛关注。
本文主要介绍了双轮平衡车的控制系统硬件设计方案。
此方案采用ATmega328 作为核心控制器，在此基础上增加了各种接口电路板组成整个硬件系统，包括单片机最小系统，姿态检测模块，直流驱动电机控制模块，电源管理模块，测速编码模块，串口调试等模块。
对于姿态检测系统而言，单独使用陀螺仪或者加速度计，都不能提供有效而可靠的信息来保证车体的平衡。
所以采用一种简易互补滤波方法来融合陀螺仪和加速度计的输出信号，补偿陀螺仪的漂移误差和加速度计的动态误差，得到一个更优的倾角近似值。
本文先阐述了系统方案原理，再分别就各模块工作原理进行详细的介绍与分析，最终完成车模的制作和电路原理图以及1PCB 板的绘制。
最后根据调试情况对整个系统做了修改，基本达到设计要求。
关键词双轮自平衡车模块设计传感器AbstractTwo-wheeled self-balanced car is a highly unstable robots, it is a system with Multivariable, nonlinear and absolute instability, it needs to complete the balance control tasks such as walking upright because of both theoretical significance and practical value. Two-wheeled self-balanced car in the last decade has aroused widespread concern in the robotics laboratory.This paper describes the control system hardware design of the wheel balanced car.This program uses ATmega328 as the core controller,base on this increase of various interface circuit board to building the hardware system. Peripheral circuits including the smallest single-chip system, the gesture detection module, the DC drive motor control module, power management module, velocity encoding module and serial debugging module. For the posture monitoring system，the information solely depends on the gyroscope or the accelerometer couldn’t make sure the balance of vehide．So the signals from the gyroscope and accelerometer were integrated by a simple method of complementary filtering for an optimal angle to compensate the gyroscope drift error and the accelerometer dynamic error.This article first describes the principle of the system program，then described in detail each module how to working out, the final completion of car models produced and circuit schematics and the PCB drawing.In the end, according to debug the situation on the whole system changes, the hardware system basically reached the design requirements.Keywords two-wheeled self-balanced car modular design sensor目录前言 (1)第1章绪论 (2)1.1 设计的依据与意义 (2)1.2 国内外同类设计的概况综述 (3)1.3 设计要求与内容 (3)第2章总体硬件方案设计 (5)2.1 总体分析 (5)2.2 总体方案设计 (5)2.3 方案框图 (7)第3章单元模块设计 (8)3.1 姿态检测模块 (8)3.2 单片机控制单元模块电路 (14)3.3 电机驱动模块 (19)3.4 串行通信模块 (21)3.5 电源管理模块 (24)结论 (26)参考文献 (27)致谢 (28)附录 (29)前言自平衡车自动平衡运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”（DynamicStabilization）的基本原理上，也就是车辆本身的自动平衡能力。
两轮自平衡车平衡控制系统的研究
因为它既有理论研究意义又有实用价值，所以两轮自平衡小车的研究在最近十年引起了大量机器人技术实验室的广泛关注。
由于特殊的两轮结构，自平衡小车本身就是一个不稳定系统。如何让双轮小车在保持稳定的基础上实现前后行驶以及自由转向，成为一个技术上的问题。解决这一问题，将要用到机械设计和自动化专业的知识，涉及电子、机械、运动学、控制学等多学科知识。
两轮自平衡车以其体积小、灵活度高等优势，进入市场便得到大众的青睐，众多公司中又以Segway公司的产品更为大众所认可。双轮自平衡车以其众多优势在面向以观光游览、休闲散心、购物代步为主的短途旅行成为得力的代步工具。
1.1.2
同时，两轮自平衡小车作为一种新式交通工具，以电力为能源，清洁无污染，便携体积小，对于减小工作日里的交通拥堵，减轻环境污染程度，起到建设性的作用。
双轮自平衡车系统可进一步抽象化为一级倒立摆结构。经过对一级倒立摆结构的数学建模和运动学分析，结合控制学原理，可以得出使双轮自平衡车保持动态稳定的几个条件。（详见第二章自平衡系统的分析）
双轮自平衡车平衡控制系统以STM32F103C8T6芯片作为主控芯片运用姿态传感器MPU6050，结合数据滤波算法进行数据融合，建立闭环控制系统驱动直流电机。再用编码器实时监测电机转速以反馈给主控系统，形成一个小闭环。最终能够实现双轮自平衡车的平衡控制。（详见第三章系统硬件组成）
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平行双轮电动车及其控制系统的研究赵书尚,韩建海,李济顺,林青松,李 航(河南科技大学机电工程学院,河南洛阳471003) 摘 要:阐述了平行双轮电动车系统的构成、控制系统的工作原理、硬件电路和控制算法。
通过对样机进行实际行走控制试验,验证了该系统设计的合理性和有效性。
关键词:平行双轮;电动车;单片机;姿态传感器中图分类号:TP24 文献标识码:A文章编号:100124551(2005)01-0012-04Research on a Coax i a l Two2wheel Electr i c Scooter and It’s Con trol Syste mZHAO Shu2shang,HAN J ian2hai,L I J i2shun,L I N Q ing2s ong,L I Hang (School of M echatronics Engineering,Henan U niversity of Science and Technology,L uoyang471003,China)Abstract:I n the paper,the structure of syste m,operating p rinci p le of contr ol syste m,hard ware circuitry and contr ol algorith m of the devel oped coaxial t w o2wheel electric scooter are described.The validity and rati onality of the syste m are confir med thr ough the perf or mance experi m ents of the p r ot otype.Key words:coaxial t w o2wheel;electric scooter;singleChi pm ier ocomputer;attitude sens or 行双轮电动车是一辆两轮左右平行布置的单人电动车,像传统的倒立摆一样,本身是一个自然不稳定体,必须施加十分强有力的控制手段才能使之稳定。
作为一个被控对象,它又相当复杂,是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合系统。
由于它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性,因而对其研究具有重大的理论和实践意义。
平行双轮行走的研究重点是行走平衡控制技术,开展这项研究工作最早的是日本电气通信大学的山藤研究室,山藤教授在1987年申请的一项“平行双轮机器人”的专利中,使用了该项技术。
该机器人有两个轮子,但没有平衡台,控制电路和驱动电动安装在上部。
利用绑在轮子上的小杠杆与地面相接触,作为传感器来检测机器人的倾斜度。
由于受当时计算机、传感器等技术的限制,该项技术的前景和实用性并不明朗,所以其研究并没有受到太多人们的重视。
直到2001年12月,美国发明家卡门(Dean Ka men)发明了一种新型的方便快捷的两轮交通工具“Seg way”,该项技术才成为全球机器人控制技术的研究热点。
Seg way靠改变驾驶者的重心收稿日期:2004-10-12 修订日期:2004-11-15作者简介:赵书尚(19692),男,山东青岛人,讲师;研究领域:智能仪器,计算机测控技术等。
完成10台电机的测试,测得的df在±1.0%之间, dS在±1.5%之间,充分满足了生产线的检测和控制要求。
大量测试试验结果表明,这种方法简单可靠、准确度高,具有自动化程度高、适合生产线大批量自动化测试等显著优点,具有广阔的应用前景。
参考文献:[1] JB/T5811-91.交流低压电机成型绕组匝间绝缘试验方法及限值[S].[2] 梁杰中,程志珊,伍云璀.正确使用电机检测中匝间绝缘测试项目[J].测试技术,1999,(6).[3] 任仲岳.电机电工的微机测试[M].上海:上海交通大学出版社,1986.[4] 杨乐平,李海涛,肖相生,等.Lab V I E W程序设计与应用[M].北京:电子工业出版社,2001.[5] 郑叔芳.计算机辅助测试原理与发展[M].北京:科学出版社,1993.[6] 马怀俭,邵光伟.电机测试系统集成方法的研究[J].中小型电机,2000,27(5).使车辆产生启动、加速、减速、停止等常规行驶动作,它的出现在全世界引起了极大轰动,充分展示了平行双轮行走的灵活性和实用性。
为了掌握平行双轮行走的平衡控制技术,研制适合中国国情的新型交通工具,提高我国机器人控制技术的水平,河南科技大学联合洛阳北方企业集团有限公司对该项目进行攻关和开发研究。
1 系统构成平行双轮电动车的外观和系统构成分别如图1和图2所示。
由图可知,整机的系统结构主要由机械行走装置、姿态传感器和控制系统三大部分组成。
图1 平行双轮电动车的外观机械行走装置主要由车体平台、两只带编码器的小型直流伺服电机、左右车轮和只有在静止状态才起作用的两只安全轮组成。
两只直流伺服电机安装在车体平台的下面,通过减速器分别独立驱动左、右车轮运动。
采用微硅陀螺仪和倾角传感器的组合构成姿态传感器,来检测车体平台的运行姿态。
其中,微硅陀螺仪检测的是平台绕转动轮轴转动的角速率,倾角传感器检测的是平台相对于水平面的倾角。
同时,采用可编程逻辑器件对电机编码器产生的脉冲量进行计数,从而检测出车体平台的运行位移、速度和方向。
控制系统主要由基于高速高性能单片机C8051F020和可编程逻辑器件(CP LD )构成的运动控制器、电池模块、电机驱动器以及外围电路组成。
2 控制系统由图2所示的机械行走装置、姿态传感器和控制系统三者之间的关系可以看出,控制系统的工作原理为:以C8051F020单片机为控制核心的运动控制器,根据位置传感器和姿态传感器检测到的平台运行的位置和姿态信号,通过一定的控制算法计算出控制电压信号,再经D /A 转换及驱动器放大后驱动直流伺服电机运转,随时调整车体平台的运行的位置和姿态,从而使车体平台始终保持平衡状态。
图2 系统构成原理图2.1 C 8051F 020单片机Cygnal 公司推出的C8051F020单片机是完全集成的混合信号片上系统(S OC ),具有与8051指令集完全兼容的C I P -51内核。
在芯片内部集成了构成1个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设,主要包括:2个多通道ADC 子系统(每个子系统包括1个可编程增益放大器和1个模拟多路开关)、2个DAC 、2个电压比较器、电压基准、S MBus/I 2C 总线接口、SP I 总线接口、2个增强型UART 、5个通用的16位定时器、1个具有5个捕获/比较模块的可编程定时器/计数器阵列(PCA )、8个8位的通用I/O 端口、可编程交叉开关(Cr ossbar )和64K B 的Flash 程序存储器等。
C I P -51内核采用流水线指令结构,70%指令的执行时间为1个或2个时钟周期,当时钟频率为25MHz 时,速度可达25M I PS,远高于同类型的其它单片机,而且是一种工业级芯片,具有很高的可靠性,设计中、低速的运动控制器极为适合。
基于C8051F020控制器I/O 口资源分配如图3所示。
图3 C 8051F 020单片机I/O 口的资源分配2.2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件采用A ltera 公司MAX7000系列的EP M7128S 芯片。
它是基于A ltera 公司第二代MAX 乘积项结构,采用先进的C MOS EEPROM 技术,包括128个宏单元,能够提供快至4.5ns 的组合传输延迟,可通过JT AG 接口实现在线编程。
设计目标是实现两路32位的加/减计数功能。
每个光电编码器可提供A 、B 两个相位差为90 的正交信号,CP LD 主要完成倍频、判向、防抖采样、加/减计数和捕获(飞读)等功能,防抖采样电路可有效抑制因CP LD 内部时延产生的毛刺,避免了逻辑“冒险”现象。
其内部功能如图4所示,所有功能用Veril og语言编程实现。
图4 CP LD 内部功能原理图2.3 姿态传感器用微硅陀螺仪和电子倾角传感器的组合构成姿态传感器,来检测车体平台的运行姿态。
微硅陀螺仪是利用Cori olis 效应的单轴固态角速度陀螺,采用硅素振动环状精密设计,产生一正比于角速度的精确模拟直流电压输出。
测量范围±100 /s,带宽10Hz,由于采用平面环状结构,因而受震动和冲击的影响很小。
选用的微硅陀螺仪型号为CRS03202(29×29×18mm ),具有体积小、耐振动、响应快等特点。
在实际使用时要对传感器信号进行调理(偏移、放大、低通滤波),设计了四阶Butter 2worth 低通滤波器,截至频率为100Hz 。
为了降低系统成本,选用半温度补偿型倾角传感器UCB 21,有P WM 和模拟电压两种输出形式,其测量范围为±30 。
在同一温度下,传感器的输出与角度具有很好的线性,但随着温度的变化,同一角度下的输出信号变化很大,必须进行温度补偿。
补偿方法是:用单片机自带的温度传感器测量环境温度,根据温度值查预置于C8051F020中的表格,得出零点应调整的电压偏移量,通过数字调节方式调整数字电位器X9C104,实践证明,这种方法可以获得很高的测量精度。
3 控制算法以电动车的行走方向为X 轴,车轮轴线为Y 轴,铅锤线为Z 轴,将整机质量简化集中在P 点系统模型可简化为图5。
图5 系统模型 由图5可以看出,该系统具有3个自由度:绕Y轴的俯仰运动,俯仰角θp 和俯仰角速度ωp ;沿X 轴的直线运动,位移x r m 和移动速度;r m ;绕Z 轴的摆动运动,摆动角βz 和摆动角速度ωβ。
系统的平衡靠电机施加在左、右轮轴上的驱动力矩T L 和T R 来控制。
为了简化问题,先不考虑电动车的转弯运动,仅对沿X 轴作直线运行的情况进行研究。
同时,假设车轮与地面之间无打滑,沿Z 方向无直线运动,绕X 轴无旋转运动,并忽略与之相关的作用力和干扰力。
利用拉格朗日(Lagrange )方法来建立系统的动力学方程,可方便地求出被控系统的状态空间方程。
根据线性系统理论,在Matlab 环境下设计状态反馈控制器,求出状态反馈增益矩阵。
然后,在满足初始条件下,对系统进行仿真研究。
仿真结果表明,该系统的稳定性。
把仿真提供的状态反馈增益矩阵作为一组控制参数,用单片机的C 语言编制控制策略程序,进行样机的实时控制试验。
由于在建模中进行了许多假设以及建模结构参数与实际结构参数之间存在的误差,再加上传感器在采样电路中不可避免的会混入噪声和直流电动机存在的死区等问题,故在实际控制中,要根据控制效果不断调整状态反馈增益,直到满意为止。