沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文[5]。我們使用集成芯片的電路設(shè)計(jì)比較簡單，可靠性也是相對(duì)較高的。3.3.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)本雙輪自平衡小車設(shè)計(jì)采用四片BTS7960的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，構(gòu)成雙H橋電路，我們通過四個(gè)電路的運(yùn)行，可以有效的平穩(wěn)的控制兩個(gè)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，電路如圖3.4所示。圖3.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖3.4電源管理模塊電路設(shè)計(jì)電源模塊對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)來說是極其重要的組成部分，它的作用影響到整個(gè)系統(tǒng)是否能夠正常的進(jìn)行工作，因此在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)選好合適的電源模塊。雙輪自平衡車使用的是7.2V2000mAhNi-Cd電池供電，單片機(jī)系統(tǒng)、測(cè)速光電編碼器等都是要用5V電源工作，伺服電機(jī)的工作電壓范圍是4V到6V，另外7.2V2000mAh鎘鎳氫電池可以用于直流電機(jī)直接供電。3.4.1電源的分類電源可分為開關(guān)電源和線性電源兩類，其中線性電源內(nèi)部的電壓反饋電路，在線性狀態(tài)下運(yùn)行，而開關(guān)電源則是，被用于電壓協(xié)調(diào)的管子工作在飽和、截止區(qū)即開關(guān)形態(tài)的。線性電源是將輸出的電壓進(jìn)行采集，再與參考電壓共同送入比較電壓放大器，把它的輸出，當(dāng)作電壓調(diào)整管的輸入量，用來掌控調(diào)整管，使其電壓隨輸入量的變化而變化，進(jìn)而調(diào)整其自身輸出電壓，但是開關(guān)電源的工作原理，是經(jīng)過改動(dòng)調(diào)整管的張和閉的時(shí)間，即是運(yùn)用占空比來改變輸出電壓的?？偟膩碚f，線性電源技術(shù)相對(duì)成熟，生產(chǎn)成本相對(duì)較低，可以實(shí)現(xiàn)更高的穩(wěn)定性，波動(dòng)比較小，而且沒有開關(guān)電源沒有干擾與噪音。開關(guān)電源雖然效率高、消耗小、既可以降低電壓也可以升高電壓，但是交流紋波還是大一些。常見的電源有兩種，分別是串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源，例如LM2940、79L24等，以及開關(guān)型穩(wěn)壓電源，例如LM2576、LM1575等兩大類。前者相對(duì)來說擁有紋波小、電路結(jié)構(gòu)較為單一的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是工作效率較低，功耗比較大；后者功耗相對(duì)較小，效率比前者高，但是電路比前者復(fù)雜，并且電路的文波比前者大。就單片機(jī)而言，系統(tǒng)需求供給穩(wěn)定工作的5V電源，因?yàn)門PS7350線性度較好，所以我們采用TPS7350來獨(dú)自對(duì)其進(jìn)行供電。而體系內(nèi)的其余模塊卻需要通過較大的電流來工作，綜上所述利用TPS7350和LM2940-5對(duì)控制系統(tǒng)供電，可以有效防止各器件之間發(fā)生干擾的情況，解決了電流不足的問題，使得系統(tǒng)得以達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)。雙輪自平衡車電源電路設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的電源設(shè)計(jì)方案，是全部硬件電路、體系穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)，也是動(dòng)力的來源，其中5V的電源模塊用來為單片機(jī)系統(tǒng)、還有各個(gè)傳感器模塊還有其他模塊來供電，7.2V的電源模塊則用來給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊供電。電源模塊電路圖如下圖所示。圖3.5電源模塊電路原理圖3.5傾角傳感器電路設(shè)計(jì)3.5.1加速度計(jì)電路設(shè)計(jì)此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)所選用的加速度計(jì)，是飛思卡爾公司生產(chǎn)制作的三軸加速度計(jì)MMA7260。該加速度傳感器本身是一種低g值的傳感器，本身輸出信號(hào)很大，不需要外界再次進(jìn)行放大信號(hào)。我們使用GSEL1和GSEL2腳來設(shè)置靈敏度，我們這個(gè)設(shè)計(jì)中將其靈敏度設(shè)置為800mv/g。本次設(shè)計(jì)中采用的加速度計(jì)電路圖如圖3.6所示。圖3.6加速度計(jì)接口電路圖3.5.2陀螺儀放大電路設(shè)計(jì)本雙輪自平衡車系統(tǒng)采用的陀螺儀為，村田公司設(shè)計(jì)的ENC-03，它是一個(gè)成本較低的壓電式陀螺儀，其輸出是0.67mv/deg/sec，適合本系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中主控單片機(jī)MC9S12XS128的ATD模塊，最高的采集精度大約是12bit，AD的基準(zhǔn)電壓為3.3V，經(jīng)過估算得到的最小辨別電壓僅是為0.8mv，所以對(duì)陀螺儀的輸出信號(hào)不能直接進(jìn)行相關(guān)的采集，需要放大器電路的相關(guān)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用LM358設(shè)計(jì)負(fù)反饋的放大電路。同時(shí)，由于陀螺儀的輸出會(huì)隨溫度的變化而產(chǎn)生變化，這將會(huì)影響系統(tǒng)傾角檢測(cè)的精度，所以我們?yōu)榱擞行У乜刂仆勇輧x，使其自身不要產(chǎn)生溫漂，我們必須在其放大電路中采取對(duì)應(yīng)措施，應(yīng)該添加設(shè)計(jì)一個(gè)零點(diǎn)偏置電壓，來調(diào)整相關(guān)的電路。本系統(tǒng)中利用的是LM358構(gòu)成電壓跟隨器，輸出電壓則會(huì)經(jīng)過電位器來進(jìn)行調(diào)節(jié)，將零點(diǎn)的偏置電壓始終維持在陀螺儀工作電壓的一半，即1.65V，這樣可以會(huì)有效抑制陀螺儀的溫漂。陀螺儀的放大電路如圖3.7所示。圖3.7陀螺儀ENC-03放大電路原理圖3.6速度測(cè)量模塊設(shè)計(jì)兩輪自平衡小車的工作原理是使用車輪的摩擦面，抵消汽車的重力，為了使小車更穩(wěn)定的達(dá)到自主直立的運(yùn)行效果，還有完成一些簡單的加速、減速運(yùn)行狀態(tài)，雙輪自平衡車設(shè)計(jì)采用了速度閉環(huán)控制。本設(shè)計(jì)中速度檢測(cè)裝置，是采用了歐姆龍的150線光電編碼器。它本身具有較好的穩(wěn)定性，構(gòu)造也相對(duì)簡單，并且具備極強(qiáng)的機(jī)械壽命，抗干擾能力比較強(qiáng)，可靠性相比其它工件來說也是比較優(yōu)秀的，所以我們采用歐姆龍的150線光電編碼器。表3.1編碼器相關(guān)參數(shù)表項(xiàng)目參數(shù)電源電壓DC5V~12V，紋波的峰峰值小于5%消耗電流30mA以下分辨率500脈沖/轉(zhuǎn)輸出相A、B、Z三相輸出狀態(tài)集電極開路輸出最高輸出響應(yīng)42kHz輸出上升或下降時(shí)間1us以下起動(dòng)轉(zhuǎn)矩1mN·m以下允許最高轉(zhuǎn)速5000r/min自平衡車本身由于是雙電機(jī)控制，所以本設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)編碼器來分別進(jìn)行測(cè)速。編碼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為一個(gè)光電編碼器的中心軸，它的上面有光電發(fā)射和接收器件讀取。由于編碼器采用的是集電極開路輸出，其輸出波形為矩形波，因此編碼器外圍電路相對(duì)較為簡單。在信號(hào)的輸出端，接入一個(gè)上拉電阻，就可以將信號(hào)提供給單片機(jī)，來采集數(shù)據(jù)。如圖3.8所示，PULSE引腳是編碼器的A相，單片機(jī)的脈沖計(jì)數(shù)口與它連接，我們通過單片機(jī)的PACNT模塊，對(duì)輸入脈沖采取計(jì)數(shù)來獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速。DIR為編碼器B相輸出，接的是單片機(jī)I/O口，通過A、B的相位差來進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，就可以判斷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。圖3.8測(cè)速編碼器接口電路3.7輔助調(diào)試電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中涉及到多種傳感器的應(yīng)用，為了使系統(tǒng)能夠工作穩(wěn)定，順利完成設(shè)計(jì)要求，需要檢測(cè)各個(gè)傳感器的工作狀態(tài)。與此同時(shí)，還要對(duì)數(shù)據(jù)融合波形，以及控制算法進(jìn)行相關(guān)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)調(diào)整。為此，本雙輪自平衡車設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)輔助調(diào)試模塊。常用的輔助調(diào)試模塊有，RS232串口通信模塊，藍(lán)牙模塊，LCD模塊以及SD卡模塊等。本次設(shè)計(jì)采用的是RS232串口通信作為調(diào)試方法。圖3.9MAX232串口電平轉(zhuǎn)換電路計(jì)算機(jī)與MC9S12XS128單片機(jī)之間使用的是RS232進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。MAX232是MAXIM公司出產(chǎn)制作的一款電平轉(zhuǎn)換的芯片，它的使用非常廣泛，單片機(jī)與PC機(jī)之間的通信，通常都會(huì)用到該芯片。有兩個(gè)轉(zhuǎn)換接口芯片，可以同時(shí)驚醒兩路電平的轉(zhuǎn)換。MAX232內(nèi)部本身集成了兩個(gè)電源電路，分別完成+5V→+10V和+10V→-10V的電壓轉(zhuǎn)換，目的是為通信提供電源。MAX232外部采用5V供電，其引腳輸出的電平范圍也是0~5V，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換電路如上圖3.9所示。完成上述所有的電路設(shè)計(jì)后，整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路平臺(tái)就基本完成了。

4自平衡車系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)雙輪自平衡車系統(tǒng)的軟件編寫，是基于飛思卡爾MC9S12XS128單片來完成的，其中主要用到MC9S12XS128芯片中的PWM模塊，TIM模塊、I/O模塊還有SCI模塊等模塊化設(shè)計(jì)。其中PWM主要是用來控制正向和反向的運(yùn)動(dòng)，TIM模塊主要是為測(cè)速模塊和數(shù)據(jù)收集工作，以及捕捉中斷并且計(jì)算瞬時(shí)速度，I/O模塊主要是用來撥碼開關(guān)的設(shè)定，SCI模塊的功能則體現(xiàn)在無線串口的調(diào)試模塊。根據(jù)系統(tǒng)要求，系統(tǒng)需要完成的總體軟件設(shè)計(jì)為：單片機(jī)初始化，傾角信息的采集，卡爾曼濾波，速率檢測(cè)，PID控制原理設(shè)計(jì)等。圖4.1為系統(tǒng)總體軟件流程圖。圖4.1系統(tǒng)總體軟件流程圖4.2基于PID算法的實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)工程中，被使用最多的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律，那就是閉環(huán)系統(tǒng)誤差的比例、積分、微分控制，簡稱PID控制。PID控制器布局單一、穩(wěn)定安全性較高、運(yùn)行具備可靠性、參數(shù)調(diào)整相對(duì)方便。當(dāng)被控目標(biāo)的構(gòu)造、參數(shù)不能完整掌握時(shí)，不能得到完美的數(shù)學(xué)模型，并且控制理論的其他方面技能較難應(yīng)用，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，就得依賴經(jīng)驗(yàn)還有現(xiàn)場情況做決定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。由于該軟件的靈活性與變通性，PID算法可以得到更改和完整，所以數(shù)字PID具有很強(qiáng)的靈活性和適用性。4.2.1PID分類PID算法又包括位置式PID算法和增量式PID算法，位置式PID算法公式：（4.1）上式計(jì)算不單要求本次與上次的偏差的采樣值和，而且還需要用到和的全部值。當(dāng)值很大的時(shí)候，要占用很大的內(nèi)存，并且耗費(fèi)單片機(jī)很多的時(shí)間去計(jì)算。增量式PID僅需用到最近三次的誤差更加實(shí)用，公式如下：（4.2）4.2.2比例積分微分各部分介紹比例部分的數(shù)學(xué)意義是：在模仿PID的控制系統(tǒng)中，比例環(huán)節(jié)需要及時(shí)對(duì)偏差瞬間做出反應(yīng)。偏差萬一要生成了，控制器就會(huì)當(dāng)即進(jìn)行相關(guān)工作，使控制量向偏差消減的方向轉(zhuǎn)變。比例系數(shù)決定控制效果的好壞。如果比例系數(shù)越大，則控制作用就會(huì)越強(qiáng)，過度過程就越迅速，從而控制過程的靜態(tài)偏差也就越??；但是如果越大，發(fā)生振蕩頻率就越高，從而破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。綜上所述，比例系數(shù)的選擇務(wù)必合適，才能使過渡時(shí)間少，靜差很小并且穩(wěn)定。我們從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式能夠看出，系統(tǒng)只要存在一點(diǎn)偏差，則它的控制作用就會(huì)隨時(shí)間積累，只有在偏差時(shí)，它的積分效果才能夠?yàn)橐粋€(gè)常數(shù)，控制作用才是一個(gè)不會(huì)增加的常數(shù)?？梢?，積分部分能夠y有效去除體系的偏差。積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然能夠去除靜態(tài)偏差，但同時(shí)也會(huì)下降體系的響應(yīng)速度，并且增加系統(tǒng)的超調(diào)量。積分常數(shù)越大，那么積分的積累作用就越弱，然而系統(tǒng)在過渡時(shí)，不會(huì)發(fā)生振蕩；積分常數(shù)越小則表示積分的累積作用越強(qiáng)，但是體系在過渡時(shí)卻還可以產(chǎn)生振蕩?？偟膩碚f，我們必須根據(jù)具體的要求來確定的大小。在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用中，我們除了想要消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差外，還需要加快調(diào)整的進(jìn)程。當(dāng)出現(xiàn)偏差時(shí)，或者在偏差產(chǎn)生變化的剎那間，不僅要迅速對(duì)偏差量做出立刻響應(yīng)，而且要依據(jù)偏差的變化趨向，有預(yù)見性的做出恰當(dāng)?shù)母恼榱送瓿勺饔?，我們可在PI控制器本身之上，再加入微分環(huán)節(jié)，從而形成PID控制器。微分環(huán)節(jié)的功效是抑制偏差的轉(zhuǎn)變，它是按照偏差的變化趨向來工作的。偏差變化速率越快，則微分控制器的輸出就會(huì)越高，并且要在偏差值變大之前及時(shí)進(jìn)行修正。給系統(tǒng)加上微分作用，能夠有效的降低系統(tǒng)的超調(diào)量，避免振蕩影響，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。微分部分的功效，由微分時(shí)間常數(shù)決定。當(dāng)越大時(shí)，能更有效的抑制偏差變化；越小時(shí)，它反抗偏差變化的作用就越弱。從上可見，微分部分對(duì)整個(gè)體系穩(wěn)定有很大的作用，適應(yīng)地選擇微分常數(shù)的大小，我們就可以使微分部分的功效達(dá)到最好的狀態(tài)。4.2.3PID參數(shù)的整定試湊法是經(jīng)過閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，來觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，按照給定控制條件，對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，進(jìn)行頻繁地試湊相關(guān)參數(shù)，以獲取最好的響應(yīng)結(jié)果，最后確定PID控制參數(shù)。試湊絕不是出于盲目的，而是在相關(guān)控制理論學(xué)科知識(shí)的領(lǐng)導(dǎo)下來完成的。試湊法的詳細(xì)實(shí)行過程可分為以下幾個(gè)部分：1、整定比例控制部分，將比例系數(shù)從小至大進(jìn)行變化，并查看對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，最后獲得超調(diào)小、反應(yīng)快的響應(yīng)曲線。加入系統(tǒng)的靜差小，到許可局限內(nèi)，則響應(yīng)曲線符合要求，那么只需要比例控制便可，由此可以得到比例系數(shù)。2、如果系統(tǒng)的靜差在比例環(huán)節(jié)的控制下，不能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，則需要加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)，最初置積分時(shí)間為很大值，并將通過第一步整定后，得到的比例系數(shù)適當(dāng)縮小，然后再減小積分時(shí)間，使得在保持系統(tǒng)良好動(dòng)態(tài)的情況下，靜差能夠得到消除。在這過程當(dāng)中，可按照響應(yīng)曲線的好壞，不斷地來改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，借此來達(dá)到滿意的控制效果，得到合適的系統(tǒng)整定參數(shù)。3、如果利用比例積分控制后，去除了靜差，但動(dòng)態(tài)過程經(jīng)重復(fù)改變，還是不能達(dá)到滿意的效果，那么增加微分環(huán)節(jié)，使三者組成比例、積分、微分控制器。在調(diào)整的時(shí)候，先設(shè)置微分時(shí)間為零，在第二步整定的基礎(chǔ)上增大，按照同樣的方法來操作余下的過程，分改變比例系數(shù)和微分時(shí)間，進(jìn)行逐步試湊，來獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。4.3雙輪自平衡車直立模塊軟件設(shè)計(jì)首先，通過均值濾波法，來得到穩(wěn)定的陀螺儀值以及加速度計(jì)值，然后陀螺儀值減去，車模靜止時(shí)陀螺儀的值，再乘以一個(gè)比例系數(shù)，把它當(dāng)做積分的輸入量，再用加速度計(jì)的值，減去車模直立時(shí)的值，再乘以比例系數(shù)，將車模前后角度歸一，化為正負(fù)九十度，通過加速度計(jì)對(duì)陀螺儀的補(bǔ)償作用，可以有效地抑制陀螺儀產(chǎn)生溫漂，進(jìn)而得到準(zhǔn)確的角度值，最后通過PD控制，車模就可以達(dá)到穩(wěn)定理想的直立的效果。程序部分代碼如下所示：voidAngleCalculate(){ANGLE_speed=k_gyo*(TLY-TLY_CENTER);ANGLE1=(Angle_Z-ANGLE)/kTg;ANGLE+=(ANGLE_speed+ANGLE1)/k_Inter;}voidAngleControl(){floatKP1,KD1,KP2,KD2;if(TLY_FLG==1){Speed_Set=(int)(KP*ANGLE)+(int)(KD*ANGLE_speed);}}4.4雙輪自平衡車速度控制模塊軟件設(shè)計(jì)為了減小速度控制對(duì)小車本身直立產(chǎn)生的影響，使速度控制周期為100ms，并且對(duì)100ms內(nèi)，用編碼器對(duì)采集回來的脈沖數(shù)進(jìn)行累加，左右輪的平均脈沖數(shù)作為速度。程序流程如圖4.2所示。圖4.2小車速度控制模塊流程圖部分程序代碼如下所示：voidSpeedControl(void){intCar_Speed_Set_last=0;if(TLY_FLG==1){Speed_Get=(g_Speed_Get_R+g_Speed_Get_L)>>1;fCar_Speed=fCar_Speed_Constant*Speed_Get;//速度控制if(Drec_error>-5&&Drec_error<5)Car_Speed_Set_last=Car_Speed_Set；elseCar_Speed_Set_last=Car_Speed_Set-1;if(Car_Speed<0)Speed_Flag_New=1;elseif(Car_Speed>0)Speed_Flag_New=0;if((Speed_Flag_Old==1)&&(Speed_Flag_New==0)) fSpeed_Control_Integral=0;fSpeed_Control_Integral+=fI;if(fSpeed_Control_Integral>3000)fSpeed_Control_Integral=3000;//100if(fSpeed_Control_Integral<-3000)fSpeed_Control_Integral=3000;fSpeed_Control_Out_Old=fSpeed_Control_Out_New;fSpeed_Control_Out_New=fP+fSpeed_Control_Integral;}4.5電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制在已經(jīng)獲得了車模直立控制，速度控制兩者的輸出量之后，我們采取對(duì)應(yīng)措施將他們疊加得到了PWM所需的占空比，PWM的占空比決定了電機(jī)運(yùn)行的情況，然后通過相應(yīng)的寄存器，設(shè)置由單片機(jī)產(chǎn)生所需占空比的PWM信號(hào)，進(jìn)而控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)還有它的轉(zhuǎn)速快慢。我們?cè)谡伎毡鹊脑O(shè)定中，由于小車本身具有的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，存在一定的靜態(tài)摩擦力，所以我們要特意增加了死區(qū)補(bǔ)償。為了保證PWM的輸出，并且不會(huì)超過PWM的滿量程范圍，需要進(jìn)行飽和處理。流程框圖如圖4.3所示。圖4.3電機(jī)控制模塊流程圖部分程序代碼如下所示：voidMotorOutput(){floatfLeft,fRight;if(TLY_FLG==1){fRight=Speed_Set-fSpeed_Control_Out-g_fDirectionControlOut;//1.2fLeft=Speed_Set-fSpeed_Control_Out+g_fDirectionControlOut;//1.2if(fLeft>0){if(fLeft>300)fLeft=300;PWM22_SetDutyUS(0);PWM00_SetDutyUS(deadline+fLeft);}else{if(fLeft<(-300))fLeft=-300;//車模后走PWM22_SetDutyUS(deadline-fLeft);PWM00_SetDutyUS(0);}if(fRight>0){if(fRight>300)fRight=300;PWM33_SetDutyUS(deadline+fRight);//車模前走PWM11_SetDutyUS(0);}else{if(fRight<(-300))fRight=-300;PWM33_SetDutyUS(0);PWM11_SetDutyUS(deadline-fRight);} g_fLeftMotorOut=fLeft; g_fRightMotorOut=fRight;}本次的設(shè)計(jì)主要就是使小車能夠在無外界的干擾的情況下，能夠自主完成直立的過程，而且能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，在直立的基礎(chǔ)上再去完成剩下的前進(jìn)等基本動(dòng)作。綜上所述，完成之前所述的雙輪自平衡車的各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，小車就會(huì)具備自主達(dá)到直立狀態(tài)的效果，并保持相對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。

5自平衡車系統(tǒng)的安裝與調(diào)試5.1小車整體結(jié)構(gòu)的安裝自平衡車的機(jī)械部分，是整輛小車的根基，它不僅代表著小車硬件構(gòu)造的穩(wěn)定性，更是影響小車運(yùn)行的效果，它是全部小車部分當(dāng)中最為要緊的，一旦對(duì)其進(jìn)行改動(dòng)，這勢(shì)必影響未來的設(shè)計(jì)與調(diào)試，所以在剛開始的時(shí)候，組裝一個(gè)良好、穩(wěn)定的機(jī)械架構(gòu)，就會(huì)避免很多不必要的問題。因此，在本次設(shè)計(jì)中，車模的機(jī)械性能、機(jī)械結(jié)構(gòu)的安裝，是機(jī)械設(shè)計(jì)中最應(yīng)首先考慮的問題。為了使汽車運(yùn)行更穩(wěn)定，我們必須降低汽車的重心，自平衡車模是兩輪接觸地面，小車的質(zhì)量基本來自電池和PCB板，所以將電池放在車模最底下。因?yàn)樾≤嚨闹匦脑降?，?duì)于小車的平衡性越好，因?yàn)橹匦牡偷脑挘容^利于平衡的直立。相反如果重心比較高的話，則是比較利于小車的速度性能及運(yùn)行過程。然而本次設(shè)計(jì)的重心是在小車的自主直立方面，所以我們應(yīng)該盡量保持小車的平穩(wěn)性能。所以綜合考慮之后，我們將PCB板放在車模中間位置。小車的整體效果圖如圖5.1所示。圖5.1小車整體機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝效果圖5.1.1速度傳感器的安裝本自平衡車系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是，由歐姆龍公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的150線編碼器，它的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量速度準(zhǔn)確穩(wěn)定，缺點(diǎn)是體積相對(duì)較大?？紤]到小車的整體結(jié)構(gòu)，降低小車的重心，且使速度保持穩(wěn)定，于是將速度編碼器安裝于車輪上方，因?yàn)閷⑵浒惭b在車輪上方，最能有效降低小車的整體重心，有利于幫助小車整體保持穩(wěn)定。安裝如圖5.2所示。圖5.2速度傳感器的安裝5.1.2傾角傳感器和陀螺儀的安裝角度測(cè)量的準(zhǔn)確與否，直接決定了車模直立效果的好壞，本次設(shè)計(jì)中，為了綜合性能以及考慮到設(shè)計(jì)的難易程度，我們用到的陀螺儀和加速度計(jì)都采用了現(xiàn)成的模塊。由于小車在運(yùn)行的過程中會(huì)發(fā)生猛烈的晃動(dòng)，若是安置的過高，將會(huì)對(duì)角度傳感器還有陀螺儀產(chǎn)生比較大的干擾作用，不利于車模整體保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，所以在本次設(shè)計(jì)中，我們采取將它安放在車模的中間位置，因?yàn)檫@樣做的話，小車整體產(chǎn)生的振動(dòng)小，敏感度也比較高。傾角傳感器和陀螺儀的安裝如圖5.3所示。圖5.3傾角傳感器和陀螺儀的安裝5.2系統(tǒng)的調(diào)試工具兩輪自平衡車的硬件設(shè)計(jì)與軟件編程，為自平衡車的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)打下了根基，是不是能運(yùn)行的穩(wěn)定，則要求經(jīng)過盡心的調(diào)試才能達(dá)成。本雙輪自平衡車系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，因此可以采用模塊化的調(diào)試方法。將系統(tǒng)分為幾個(gè)部分獨(dú)立進(jìn)行調(diào)試。MC9S12XS128的調(diào)試接口采用BDM接口。選用開源開發(fā)調(diào)試工件TBDML對(duì)其運(yùn)行在線調(diào)試、仿真。IDE采用CodeWarriorIDEV5.0。CodeWarrior軟件運(yùn)行的開發(fā)條件（IDE，IntegratedDevelopmentEnvironment）是由Metrowerks公司提供的，專為飛思卡爾所有的單片機(jī)嵌入式應(yīng)用，所開發(fā)的軟件工具。這當(dāng)中囊括集成開發(fā)環(huán)境IDE、處理器、全芯片的仿真、可視化的參數(shù)展示條件、項(xiàng)目工程統(tǒng)治設(shè)計(jì)、C交叉編譯器、匯編器、連接器還有調(diào)試器。圖5.4BDM調(diào)試界面后臺(tái)調(diào)試模式（BackgroundDebugMode）是現(xiàn)在單片機(jī)廣泛選用的調(diào)試方法之一，在BDM模式下，主要能達(dá)成下列三個(gè)方面的功效：首先便是應(yīng)用程序的下載與在線更新。在BDM模式下，我們可以對(duì)Flash進(jìn)行寫入和擦除操作，所以我們可以在產(chǎn)品未使用前，即可以將應(yīng)用程序下載到產(chǎn)品里。BDM模式的另一功能，是進(jìn)行單片機(jī)內(nèi)部資源的配置與修復(fù)，程序的加密處理等等。少許MCU的內(nèi)部寄存器只能在BDM形式下運(yùn)行，尤其是一些單片機(jī)其內(nèi)部配置的寄存器。BDM的第三個(gè)作用是做應(yīng)用程序的動(dòng)態(tài)調(diào)試，S12系列的單片機(jī)的BDM調(diào)試模式有這類功能，S12系列單片機(jī)CPU內(nèi)部使用的是4級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)會(huì)使得CPU的讀取指令、解釋指令、執(zhí)行指令等操作看起來好像是同時(shí)進(jìn)行的，提高了工作效率。5.3自平衡車系統(tǒng)的硬件調(diào)試硬件調(diào)試是在小車在硬件平臺(tái)搭建實(shí)現(xiàn)后，最初應(yīng)當(dāng)舉行的工作，它是確保體系的安全性的重要條件。首先應(yīng)該用萬用表，仔細(xì)檢查電路的連接是否正確，是否存在短路、虛焊等情況，各電子元件是否能正常工作，尤其應(yīng)該要注意電源極性是否正確。當(dāng)全部檢查完畢，在確認(rèn)硬件電路連接沒有錯(cuò)誤后，上電使用BDM在線調(diào)試，看是否能成功連接到MC9S12XS128最小系統(tǒng)。當(dāng)檢測(cè)正常后，向單片機(jī)下載測(cè)試程序，如果能夠正常下載程序，然后觀察LED是否正常閃動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的測(cè)試，通過軟件控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，來驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電路的正確性。確定兩個(gè)電極輸出電壓的極性，保證當(dāng)輸出PWM正電壓時(shí)，電機(jī)正向運(yùn)轉(zhuǎn)，PWM輸出負(fù)電壓時(shí)，電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，確保小車硬件系統(tǒng)運(yùn)行良好。5.3.1加速度計(jì)和陀螺儀的調(diào)試當(dāng)車?；蝿?dòng)下時(shí)突然保持靜止，觀察此時(shí)的陀螺儀的值。當(dāng)車模始終保持靜止，觀測(cè)陀螺儀的值。當(dāng)電池電壓增大或減小的時(shí)候，觀察陀螺儀的采集值。均衡各種情況得到陀螺儀靜止時(shí)的值，作為陀螺儀的中間值。車模保持直立的情況下，觀察加速度計(jì)的采集值，當(dāng)左右傾斜車模，我們可以看出加速度計(jì)采集值的變化，向前加速度計(jì)值會(huì)增大，向后加速度計(jì)值會(huì)減小，車模與水平地面垂直時(shí)，加速度計(jì)得值作為中間值。5.3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的調(diào)試首先將直流電機(jī)連接到電路，然后將小車懸空，前后傾斜小車本身，這個(gè)時(shí)候我們用示波器來查看電機(jī)兩頭的PWM信號(hào)，看其究竟會(huì)不會(huì)按要求轉(zhuǎn)變。在不改變其余的所有機(jī)械參數(shù)的條件下，我們不斷地改變系統(tǒng)占空比，觀察車輪轉(zhuǎn)速的變化。最后，還要看車模前后傾斜的時(shí)候，電機(jī)是否會(huì)按照之前設(shè)計(jì)的要求來改變轉(zhuǎn)向。5.3.3速度編碼器的調(diào)試由于雙輪自平衡車采用了雙編碼器，其中的一路是用單片機(jī)自帶的脈沖累加器來進(jìn)行計(jì)數(shù)的，而另一路則是用用外部中斷進(jìn)行計(jì)數(shù)的。在線調(diào)試的情況下，我們先用手轉(zhuǎn)動(dòng)輪胎，然后觀察兩路編碼器是否采回了相關(guān)數(shù)據(jù)。將車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周之后，我們觀察編碼器采集回多少個(gè)脈沖，再將其作為軟件設(shè)計(jì)中，速度轉(zhuǎn)換的一個(gè)參數(shù)。5.4自平衡車系統(tǒng)的靜態(tài)調(diào)試由于自平衡車系統(tǒng)本身包含有較多的控制參數(shù)，直立又是自平衡車的重中之重，所以為了較好的直立效果，應(yīng)該先從角度的整定開始，我們應(yīng)該調(diào)節(jié)k_gyo和k_Inter,再通過上位機(jī)來觀察最終輸出的角度圖像，才能較好的跟蹤加速度計(jì)測(cè)得的角度圖像，然后我們會(huì)發(fā)現(xiàn)加速度計(jì)測(cè)得的角度圖像有一定的毛刺，經(jīng)過整定以后的圖像會(huì)變得非常平滑。此時(shí)首先增大KP，小車看起來會(huì)進(jìn)行直立，逐漸加大KP，小車會(huì)直立向一個(gè)方向行走，此刻調(diào)節(jié)KD，小車運(yùn)動(dòng)的速度會(huì)越來越慢，由于車模本身角度有少許的誤差，小車便不能完全靜止一于點(diǎn)。加入速度閉環(huán)控制，當(dāng)加入fSpeed_Control_P一個(gè)較小值時(shí)，小車已經(jīng)可以直立于一點(diǎn)，當(dāng)我們繼續(xù)加大它的值的時(shí)候，小車便會(huì)產(chǎn)生劇烈的顫抖，然后當(dāng)我們稍微減小fSpeed_Control_P并逐漸增大fSpeed_I，小車將更加穩(wěn)定的直立，當(dāng)用手推動(dòng)它對(duì)它產(chǎn)生干擾時(shí)，小車也能自主保持直立。5.5自平衡車系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)試設(shè)計(jì)最終的目的是讓小車進(jìn)行簡單的行走運(yùn)動(dòng)，所以在小車行走的情況下，參數(shù)相比之前，將會(huì)有較大的變化。首先，應(yīng)該調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向模塊，再然后左右轉(zhuǎn)動(dòng)小車，在線觀測(cè)小車的誤差，是否按照要求變化。當(dāng)系統(tǒng)符合要求時(shí)，可以給小車較低的速度讓其行走，這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)走一段小車便會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，這是因?yàn)樗俣乳]環(huán)對(duì)直立閉環(huán)造成了干擾，解決的辦法可以是加大速度控制周期，與此同時(shí)調(diào)節(jié)速度閉環(huán)PI參數(shù)，可以看出，當(dāng)P較大D較小的情況下，系統(tǒng)越穩(wěn)定。經(jīng)過多次測(cè)試，速度控制周期100ms，速度閉環(huán)P參數(shù)為15，D參數(shù)為0.005。速度和剛開始調(diào)試時(shí)相比將會(huì)有提高，如果想要進(jìn)一步控制小車的轉(zhuǎn)彎等，還需進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。通過此次的調(diào)試過程，才發(fā)現(xiàn)原來軟件的正確編譯僅僅是整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的一個(gè)必備條件，必須要使軟件與硬件相互配合，進(jìn)行努力的調(diào)試，才能達(dá)到我們想要的預(yù)期效果。

6總結(jié)與展望6.1總結(jié)本文詳細(xì)的介紹了，基于MC9S12XS128單片機(jī)的雙輪自平衡車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中包括軟件與硬件兩個(gè)部分，主要介紹的是硬件部分。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)以飛思卡爾公司的16位單片機(jī)MC9S12XS128為控制核心，通過陀螺儀加速度計(jì)測(cè)得角度信號(hào)，采用PID控制保持直立，通過H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以及速度編碼器測(cè)速，實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了小車的平衡控制。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上綜合了各類濾波器長處與短處，再聯(lián)系本系統(tǒng)的硬件構(gòu)架設(shè)計(jì)了以卡爾曼濾波器為中心的數(shù)據(jù)融合算法。經(jīng)過卡爾曼濾波器，將陀螺儀與加速度計(jì)的輸出融合為精確的傾角與角速度輸出，為體系的控制提供了有效地保證。本設(shè)計(jì)最終實(shí)現(xiàn)了雙輪自平衡小車的平衡控制及簡單的運(yùn)動(dòng)控制，小車在保持兩輪平衡的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、等動(dòng)作。當(dāng)然，本次設(shè)計(jì)中由于個(gè)人能力、學(xué)識(shí)方面的欠缺，還有很多未能完成的地方，比如未能使小車達(dá)到自主識(shí)別道路，尋跡行走的功能，系統(tǒng)的抗干擾性能還有待加強(qiáng)。6.2展望通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我對(duì)單片機(jī)的了解，尤其是接觸到了之前沒有學(xué)習(xí)過的飛思卡爾的單片機(jī)，它的性能很多并且也很實(shí)用，僅僅幾個(gè)月的時(shí)間還不至于將它完全了解，還需要更進(jìn)一步的學(xué)習(xí)來掌握。雙輪自平衡車是一個(gè)平衡控制系統(tǒng)，它涉及到很多控制算法與理論，與之前學(xué)過的很多科目之間都有很大的聯(lián)系，可以真正的達(dá)到學(xué)以致用的目的，是一個(gè)很好的綜合性題目。雙輪平