1、长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 I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
2、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 传感器长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 IIAbstractTwo-wheeled self-balanced car is a highly unstable robots, it is a system with M
3、ultivariable, 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
4、 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 m
5、odule, 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 couldnt make sure the balance of vehideSo the signals from the gyroscope and
6、 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
7、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长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文)
8、信息工程系 I目 录前言 .1第 1 章 绪论 .21.1 设计的依据与意义 .21.2 国内外同类设计的概况综述 .31.3 设计要求与内容 .3第 2 章 总体硬件方案设计 .52.1 总体分析 .52.2 总体方案设计 .52.3 方案框图 .7第 3 章 单元模块设计 .83.1 姿态检测模块 .83.2 单片机控制单元模块电路 .143.3 电机驱动模块 .193.4 串行通信模块 .213.5 电源管理模块 .24结论 .26参考文献 .27致谢 .28附录 .29长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 1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
9、”（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-State Gyroscopes）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
10、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
11、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。长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 2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
12、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。长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 3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
13、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SEGWAYliT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
14、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
15、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。长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 41.3 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 AVR ATMEGA 328P 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
16、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。长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 5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
17、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
18、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 AVR ATMEGA 328P，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）AVR ATMEGA 328P，逐步设计各个电路子模块，最后形成完整的控制电路。长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 62.2 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
19、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
20、） 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 ATMEGA 328P。电机驱动模块：两片 Freescale MC33886 电机驱动芯片，分别驱动两个电机。长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系 72342 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
