小车机器人论文.docx

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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

Abstract

Two-wheeledself-balancedcarisahighlyunstablerobots,itisasystemwithMultivariable,nonlinearandabsoluteinstability,itneedstocompletethebalancecontroltaskssuchaswalkinguprightbecauseofboththeoreticalsignificanceandpracticalvalue.Two-wheeledself-balancedcarinthelastdecadehasarousedwidespreadconcernintheroboticslaboratory.Thispaperdescribesthecontrolsystemhardwaredesignofthewheelbalancedcar.

ThisprogramusesATmega328asthecorecontroller,baseonthisincreaseofvariousinterfacecircuitboardtobuildingthehardwaresystem.Peripheralcircuitsincludingthesmallestsingle-chipsystem,thegesturedetectionmodule,theDCdrivemotorcontrolmodule,powermanagementmodule,velocityencodingmoduleandserialdebuggingmodule.Fortheposturemonitoringsystem，theinformationsolelydependsonthegyroscopeortheaccelerometercouldn’tmakesurethebalanceofvehide．Sothesignalsfromthegyroscopeandaccelerometerwereintegratedbyasimplemethodofcomplementaryfilteringforanoptimalangletocompensatethegyroscopedrifterrorandtheaccelerometerdynamicerror.Thisarticlefirstdescribestheprincipleofthesystemprogram，thendescribedindetaileachmodulehowtoworkingout,thefinalcompletionofcarmodelsproducedandcircuitschematicsandthePCBdrawing.Intheend,accordingtodebugthesituationonthewholesystemchanges,thehardwaresystembasicallyreachedthedesignrequirements.

Keywordstwo-wheeledself-balancedcarmodulardesignsensor

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。

以内置的精密固态陀螺仪（Solid-StateGyroscopes）来判断车身所处的姿势状态。

透过精密且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，驱动马达来做到平衡的效果。

正确打开电源且能保持足够运作的电力，车上的人就不用担心有倾倒跌落的可能，这与一般需要靠驾驶人自己进行平衡的滑板车等交通工具大大不同，双轮单轴自平衡小车就是其中的一种模型。

双轮自平衡小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，且因其运动环境复杂、运动学方程中的非完整约束，所以其控制任务也具有复杂性，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。

双轮自平衡小车作为倒置系统的一种形式，是动力学理论和自动控制理论与技术相结合的研究项目，为科学理论的发展起到了指导作用，且由于结构简单、运动灵活以及适合在更小的空间里工作，有着一定的应用前景。

为使我们对几年大学学习有个全面而深刻的了解，为了让我们对所学书本知识从抽象化到具体化的质的飞跃，为使我们能更快的适应将来的工作，在毕业之际进行了此次设计，以此来为我们的大学生涯画上圆满的句号。

本设计利用ATmega328P单片机，和加速度以及陀螺仪传感器实时检测物体在空间中的姿态，并将物体姿态数据进行处理，发出控制信号，驱动两个电机转动，使小车保持动态平衡。

本设计完成了如下要求：

（1）单片机控制系统电路原理图的设计；

（2）控制系统电路印制版的绘制；

（3）硬件模块的连接。

第1章绪论

1.1设计的依据与意义

双轮自平衡小车属于一种简单的轮式机器人。

由于结构简单、运动灵活以及适合在更小的空间里工作，有着一定的应用前景。

其原理来自于倒立摆的控制，双轮小车从力学角度来说本身是不稳定的，因此设计的重点是如何控制实现小车的平衡，以及在平衡下实现指定运动。

采用的方法就是不断地调整小车的姿态使其达到动态平衡。

原理如图1-1所示：

图1-1动态平衡原理示意图

因此在运动中需要利用传感器检测当前的姿态（使用加速度传感器和陀螺仪进行信号收集,并对两个传感器的数据有效融合和估计,用加速度传感器长时间稳定的特性弥补陀螺仪的零点漂移及A/D采样值单调性误差积累增长），将当前的姿态信息反馈到单片机,然后由单片机给出控制信号来控制电机转动以此实现平衡。

控制采用PID控制，核心内容是PID控制参数的整定，这部分内容需要不断的调试和更改，根据实际的情况可以设置出最稳定的参数。

1.2国内外同类设计的概况综述

在两轮自平衡小车的研究上，国外的专家和爱好者们取得了一系列的成果，以下介绍国外几个比较先进的两轮自平衡小车：

由瑞士联邦技术学院工业电子实验室的研究人员研制的名为JOE的基于倒立摆的小型自平衡两轮车模型，是由DSP芯片进行控制的。

它由车架上方所附的重物模拟实际车中的驾驶者。

研究人员通过陀螺仪和光电编码器测量的数据，用线性状态反馈控制器来控制整个系统的平衡稳定。

由美国发明家DeanKamen开发的‘SEGWA'YliT’两轮个人交通工具则是一个更为实用、成熟以及商业化的两轮运载车的版本。

它使用了五个陀螺仪和一个收集其他角度传感器数据的集成器来保持自身的直立状态。

小车只需其中的三个陀螺仪就可以控制整个系统的平衡，而另外的两个则是为安全可靠作为备用。

我国在此方面的研究也取得了很大的成就：

中国科学技术大学研究出了自平衡两轮代步电动车，它是一种两轮式左右并行布置结构的具有自平衡系统的电动车。

在车体内嵌入式CPU的控制下，采集平衡传感器以及速度、加速度传感器的数据，通过一定的控制算法，计算输出PWM信号控制两个伺服电机的转矩，使车体保持平衡并能够根据人体重心的偏移，自动前进、后退及转弯。

哈尔滨工程大学也有类似的双轮直立自平衡机器人，该系统采用两块Cygnal公司推出的单片机和人机交互的上位机作为控制核心。

车体倾斜角度检测采用AD公司推出的双轴加速度传感器ADXL202及反射式红外线距离传感器。

利用PWM技术动态控制两台直流电机的转速。

上位机与机器人间的数据通信采用迅通生产的PTR2000超小型超低功耗高速无线收发MODEM。

人机交互界面采用240*128图形液晶点阵、方向摇杆及按键。

基于这些完备而可靠的硬件设计，使用了一套独特的软件算法，实现了该系统的平衡控制。

1.3设计要求与内容

开发一种两轮自平衡机器人实验平台的控制软件。

使用AVRATMEGA328P单

片机作为控制器，使用加速度、角速度传感器估计车体姿态，设计控制算法对两轮电机进行实时控制，使机器人在保持平衡的基础上按照指令进行运动。

机器人在运动的同时，通过无线通讯模块与PC机通讯，发送自身状态、接受轨迹指令。

并能达到以下要求：

1.保持自身平衡，倾角范围±5°之间；

2.能够通过电机编码器检测自身的位移和运动速度；

3.能够保持平衡的同时前后运动；

4.能通过无线串口和上位机进行通讯。

第2章总体硬件方案设计

2.1总体分析

自平衡车系统的功能模块主要包括:

控制核心（MCU）模块、电源管理模块、电机驱动模块、速度检测模块及调试辅助模块。

每个模块都包括硬件和软件两部分。

硬件为系统工作提供硬件实体，软件为系统提供各种算法。

设计系统包括：

第一是双轮平衡车的机械结构设计，由两轮自平衡小车的机械结构搭建工作平台、承载硬件电路。

其中包括车身上支架、下平台等；第二是硬件电路设计，涵盖包括电源、嵌入式微控制器、传感器、电机和控制电路、数据通信的综合系统；第三是平衡控制器模块，要求自平衡、数据采集、手动控制装置等；第四是双轮平衡车的软件设计及调试控制，按既定要求写出控制程序，解决运动状态下如何保持车体系统平衡的问题。

该系统主要实现3个部分：

第一是小车的硬件设计，一个好的硬件构架可以减少不必要的调试麻烦；第二是平衡信号检测处理，要求传感器检测系统要能快速检测到倾斜信号，保证小车静止平衡和倾斜情况之后的调节能力；第三是单片机通过对检测到的信号进行分析处理，通过相应的C语言程序来实现。

功能模块包括：

传感器部分，三轴加速度传感器和陀螺仪等。

为电机控制提供准确的速度方向反馈。

电源部分，可靠的电源管理模块。

控制MCU部分，最小系统模块和PWM电机驱动模块。

使用单片机AVRATMEGA328P，完成采集信号的处理和控制信号的输出。

调试部分,方便进行速度方向数据修正。

根据预设要求，设计车模控制系统的电路时，首先需要分析系统的输入、输出信号，然后由事先选定的核心控制嵌入式计算机（单片机）AVRATMEGA328P，逐步设计各个电路子模块，最后形成完整的控制电路。

2.2总体方案设计

经过以上的分析，系统的输入输出包括：

（1）AD转换接口（至少4路）

陀螺仪：

一路，测量陀螺仪输出电压。

加速度计：

一路，测量加速度Z轴输出电压。

辅助调试：

（备用）1到3路，用于车模调试、设置作用。

（2）PWM接口（4路），控制左右两个电极双方向运行，需要四路PWM接口。

（3）定时器接口（2路），测量两个电机转速，需要两个定时器脉冲输入端口。

（4）通讯接口（备用）

SCI（UART）：

一路，用于程序下载和调试接口；

I2C：

（备用）如果选择飞思卡尔公司的数字加速度计，可以通过I2C接口直接读取加速度值。

（5）IO接口（备用），4到8路输入输出，应用车模运行状态显示，功能设置等。

由I/O接口分布可将控制电路分为以下子模块：

（1）单片机最小系统：

包括单片机，程序下载调试接口等；

（2）陀螺仪与加速度计：

包括两个姿态传感器信号放大滤波电路；

（3）电机驱动：

驱动两个电机运行电路；

（4）电源：

电源电压转换、稳压、滤波电路；

（5）设置与调试：

显示系统运行状态、速度设定、程序下载与监控。

根据实验室的资源以及查询资料确定本次设计的方案为：

姿态检测模块：

采用BMA180加速度传感器，ITG3205三轴数字陀螺仪来获取小车的姿态。

控制核心模块：

arduino单片机最小系统，采用8位AVR单片机ATMEGA328P。

电机驱动模块：

两片FreescaleMC33886电机驱动芯片，分别驱动两个电机。

2342编码器两个。

电源管理模块：

采用9V锂电池直接驱动电机，两片GM1117电平转换芯片输出一路3.3V电压，一路5.0V电压驱动单片机和姿态检测芯片。

2.3方案框图

根据分析，绘制出总体方案框图如图2-1：

图2-1总体方案框图

第3章单元模块设计

3.1姿态检测模块

姿态检测模块负责将车体的姿态信息反馈至单片机，是整个硬件设计的核心内容。

为了能够准确获取小车当前的姿态信息，姿态检测模块采用了陀螺（ITG3205）+加速度传感器（BMA180）相结合的方式。

3.1.1模块工作原理

1.陀螺工作站的原理

高速旋转的物体的旋转轴，对于改变其方向的外力作用有趋向于铅直方向的倾向。

而且，旋转物体在横向倾斜时，重力会向增加倾斜的方向作用，而轴则向垂直方向运动，就产生了摇头的运动也就是岁差运动。

当陀螺经纬仪的陀螺旋转轴以水平轴旋转时，由于地球的旋转而受到铅直方向旋转力，陀螺的旋转体向水平面内的子午线方向产生岁差运动。

当轴平行于子午线而静止时可加以应用。

2.加速度传感器工作原理

目前的加速度传感器有多种实现方式，主要可分为压电式、电容式及热感应式三种，这三种技术各有其优缺点。

以电容式3轴加速度计的技术原理为例。

电容式加速度计能够感测不同方向的加速度或振动等运动状况。

其主要为利用硅的机械性质设计出的可移动机构，机构中主要包括两组硅梳齿（SiliconFingers），组固定，另一组随即运动物体移动；前者相当于固定的电极，后者的功能则是可移动电极。

当可移动的梳齿产生了位移，就会随之产生与位移成比例电容值的改变。

当运动物体出现变速运动而产生加速度时，其内部的电极位置发生变化，就会反映到电容值的变化（ΔC），该电容差值会传送给一颗接口芯片（InteRFaceChip）并由其输出电压值。

因此3轴加速度传感器必然包含一个单纯的机械性MEMS传感器和一枚ASIC接口芯片两部分，前者内部有成群移动的电子，主要测量XY及Z轴的区域，后者则将电容值的变化转换为电压输出。

加速度计测量线性运动，输出加速度，速度变化越快输出量越大，通过三角函

数计算可得到加速度计与重力方向的夹角。

陀螺仪测量旋转运动，输出角速度，旋转越快，输出量越大，有了角速度数据可通过积分获得角度数据。

对比两者优缺点如表3-1所示：

表3-1加速度传感器和陀螺仪优缺点比较

加速度计

陀螺仪

优点

无累积误差，长时间稳定

数据噪声小，短时间内误差小

缺点

1.加速度计对震动非常敏感，电机转动以及路面崎岖等因素所产生的震动会有很大的噪声。

2.档加速度及运动时，其输出量是运动加速度与重力加速度混合的数据，这会严重影响角度计算的准确性。

1.陀螺仪以及放电电路有温漂。

2.积分会产生累积误差，这种误差会随着事件退役而越来越严重，导致数据失效。

因此，对两者的采样的数据进行数据融合，取长补短，用加速度传感器长时间稳定的特性，弥补陀螺仪的零点漂移及A/D采样值单调性误差积累增长。

3.1.2芯片BMA180应用介绍

BMA180是一种数字输出的高精度三轴加速度传感器，它可以精确的测量静态或动态加速度，因为它有三条相互垂直的轴线，在重力场中，它可以通过重力在这三条轴上的分量来测量自身在重力场中所处的方位。

BMA180与博世公司的其他惯性传感器一样，它也是双芯片布置的。

当x，y，z轴上受到不同的加速度时，加速度传感器会在各个方向上产生对应不同的电容特性。

BMA180将测量的结果转换成14位的数字输出，通过I2C或SPI总线将14位数据表示的测量结果发送出去。

同过给芯片发送控制字可以改变加速度传感器的量程从1G到16G之间变化。

用一个频率在10HZ到600HZ之间可调的巴特沃斯滤波器来保证加速度的测量过程。

图3-1BMA180模块图

1、微型重力加速度传感器（检测x，y，z轴上的加速度分量）

2、前后端电路，包括前端放大器和模拟预分频电路

3、Multipoxer，多路转接器

4、14位A/D转换器

5、数字电路部分（负责补偿控制，校准，数字滤波，功率调节）

6、中断信号产生

7、信号传输电路（I2c/SPI）

另外还有电源复位模块，时钟发生器等其他模块。

3.1.3芯片ITG3205应用介绍

ITG3205是世界第一个单芯片数字输出3轴陀螺仪，广泛应用在游戏，3D鼠标，3D遥控等领域。

该器件具有更小的偏差和灵敏的温度稳定性，降低了用户的校准要求，比上一代产品具有更低的噪音，并简化了应用程序，可更好的进行远程控制。

ITG3205具有3个16位ADC输出，用户可选择内部低通滤波器的带宽，快速I2C接口（400KHz）。

图3-2ITG3205模块图

1、三轴陀螺仪传感器，每轴具有独立的16位ADC和信号处理单元

2、I2C接口和串行通信

3、时钟

4、传感器数据寄存器

5、中断

6、数字输出温度传感器

7、偏置电压调整和低压差线性稳压器

8、电荷泵

3.1.4I2C总线应用介绍

BMA180和ITG3205需要通过I2C总线连接至单片机。

I2C（Inter－

IntegratedCircuit）总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。

是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。

它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。

I2C总线支持任何IC生产过程（NMOSCMOS、双极性）。

两线――串行数据（SDA）和串行时钟（SCL）线在连接到总线的器件间传递信息。

每个器件都有一个唯一的地址识别（无论是微控制器、LCD驱动器、存储器或键盘接口），而且都可以作为一个发送器或接收器（由器件的功能决定）。

很明显，LCD驱动器只是一个接收器，而存储器则既可以接收又可以发送数据。

除了发送器和接收器外器件在执行数据传输时也可以被看作是主机或从机。

主机是初始化总线的数据传输并产生允许传输的时钟信号的器件。

此时，任何被寻址的器件都被认为是从机。

I2C总线特征：

1、只要求两条总线线路：

一条串行数据线SDA，一条串行时钟线SCL；

2、每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简单的主机/从机关系软件设定地址，主机可以作为主机发送器或主机接收器；

3、它是一个真正的多主机总线，如果两个或更多主机同时初始化，数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏；

4、串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s；

5、连接到相同总线的IC数量只受到总线的最大电容400pF限制。

由于连接到I2C总线的器件有不同种类的工艺（CMOS、NMOS、PMOS、双极性），逻辑0（低）和逻辑1（高）的电平不是固定的，它由电源VCC的相关电平决定，每传输一个数据位就产生一个时钟脉冲。

在传输数据的时候，SDA必须在时钟的高电平周期保持稳定，SDA的高或低电平状态只有在SCL线的时钟信号是低电平时才能改变。

图3-3I2C为传输数据有效性

SCL线是高电平时，SDA线从高电平向低电平切换，这个情况表示起始条件；SCL线是高电平时，SDA线由低电平向高电平切换，这个情况表示停止条件。

起始和停止条件一般由主机产生，总线在起始条件后被认为处于忙的状态，在停止条件的某段时间后总线被认为再次处于空闲状态。

如果产生重复起始条件而不产生停止条件，总线会一直处于忙的状态，此时的起始条件（S）和重复起始条件（Sr）在功能上是一样的。

图3-4起始和停止条件

3.1.5姿态检测模块图

将BMA180和ITG3205通过I2C总线连接至单片机，模块完整原理如图3-5：

图3-5姿态检测模块原理图

3.2单片机控制单元模块电路

3.2.1控制原理

本次设计是以单片机为核心进行设计的。

在整个单片机姿态检测系统中，CPU既是运算处理中心，又是控制中心，是姿态检测系统中的关键器件。

本系统中选用avr单片机ATMEGA328，ATMEGA可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，提高系统可靠性，降低系统成本，原理如图3-6。

图3-6控制模块原理图

3.2.2ATmega328P应用介绍

AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出增强型内置Flash的RISC（ReducedInstructionSetCPU）精简指令集高速8位单片机。

AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。

AVR单片机的推出，彻底打破这种旧设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机（CISC）追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中（指令集中占大多数的单周期指令都是如此），取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。

当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。

ATmega328P就是ATMEL公司推出的低功耗CMOS8位微处理器，拥有增强的AVRRISC架构。

通过在一个时钟周期执行功能强大的指令，具备1MIPS/MHz的