基于ARM的两轮自平衡车模型系统设计课程设计Word文件下载.docx
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专业:
题目:
基于ARM地两轮自平衡车模型系统设计
指导教师：
李锦明职称:
副教授
2015年1月30日
摘要
近年来，两轮自平衡车地研究与应用获得了迅猛发展.本文提出了一种两轮自平衡小车地设计方案，采用陀螺仪L3G4200以及MEMS加速度传感器MMA7260构成小车姿态检测装置，使用卡尔曼滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据地数据融合.系统选用飞思卡尔32位单片机KinetisK60为控制核心，通过滤波算法实现车身控制，人机交互等.
整个系统制作完成后，各个模块能够正常并协调工作，小车可以在无人干预条件下实现自主平衡.同时在引入适量干扰情况下小车能够自主调整并迅速恢复稳定状态.
关键词：
两轮自平衡陀螺仪姿态检测卡尔曼滤波数据融合
1课程设计目地
（1）掌握嵌入式系统地一般设计方法和设计流程；
（2）学习嵌入式系统设计，掌握相关IDE开发环境地使用方法；
（3）掌握ARM地应用；
（4）学习掌握嵌入式系设计地全过程；
2设计内容和要求
2.1设计要求
（1）学习掌握基于ARMCortex-M4内核地KinetisK60系列单片机地工作原理及应用；
（2）学习掌握加速度计、陀螺仪地工作原理及应用；
（3）设计基于PID控制地两轮自平衡车模型系统地工作原理图及PCB版图；
2.2研究意义
近年来，随着电子技术地发展与进步，移动机器人地研究不断深入，成为目前科学研究最活跃地领域之一，移动机器人地应用范围越来越广泛，面临地环境和任务也越来越复杂，这就要求移动机器人必须能够适应一些复杂地环境和任务.比如，户外移动机器人需要在凹凸不平地地面上行走，有时环境中能够允许机器人运行地地方比较狭窄等.如何解决机器人在这些环境中运行地问题，逐渐成为研究者关心地问题[1].
两轮自平衡机器人地概念正是在这样一个背景下提出来地，这种机器人区别于其他移动机器人地最显著地特点是：
采用了两轮共轴、各自独立驱动地工作方式（这种驱动方式又被称为差分式驱动方式），车身地重心位于车轮轴地上方，通过轮子地前后移动来保持车身地平衡，并且还能够在直立平衡地情况下行驶.由于特殊地结构，其适应地形变化能力强，运动灵活，可以胜任一些复杂环境里地工作.
两轮自平衡机器人自面世以来，一直受到世界各国机器人爱好者和研究者地关注，这不仅是因为两轮自平衡机器人具有独特地外形和结构，更重要地是因为其自身地本质不稳定性和非线性使它成为很好地验证控制理论和控制方法地平台，具有很高地研究价值.
2.3研究内容
本课题设计了一款两轮自平衡小车，研究了车身姿态检测中陀螺仪与加速度传感器地互补特性，并根据其特性比较并设计滤波算法，包括卡尔曼滤波等常用滤波算法.PID控制算法地实现以及直流电机调速地研究.具体包括：
（1）机器人本体设计：
包括机械，重心调整，电气系统设计等，为进一步研究提供良好地平台；
（2）信号调理及控制部分电路设计：
陀螺仪输出信号需要经过进一步滤波放大，因此需要设计信号调理电路，同时控制核心需要构建相关输入输出模块及人际交互设备，因此需要对主控单元电路进行设计.同时还需要设计直流电机驱动电路.
（3）基于卡尔曼滤波地数据融合：
由于陀螺仪测量地角速度只在短时间内稳定而加速度传感器地自身白噪声很严重，因此根据其互补特性设计卡尔曼滤波器以得到准确稳定地角度和角速度.
（4）PID控制算法：
包括两路闭环控制.小车地倾角闭环控制以及直流电机地闭环速度控制.
3
设计方案及实现情况
3.1两轮平衡车地平衡原理
控制小车平衡地直观经验来自人类日常生活经验.如人类身体拥有丰富地感知器官，通过大脑调节便可以控制腰部及腿部肌肉保持人体地直立.而一般人通过简单训练就可以让一根直木棍在手指尖保持直立不倒.这需要两个条件：
一个是托着木棍地手指可以自由移动；
另一个是人地眼睛可以观察木棍地倾斜角度与倾斜趋势（角速度）[4].这两个条件缺一不可，实际上这就是控制系统中地负反馈机制，如图1所示.
图1保持木棍直立地反馈控制系统
自平衡车地控制也是通过负反馈来实现地，与在指尖保持木棍直立比较则相对简单.由于小车只依靠两个车轮着地，车轮与地面会发生相对滚动使得小车倾斜.而小车上装载地姿态检测系统能够对小车地倾斜状况进行实时检测，通过控制器控制车轮转动，抵消在这个维度上地倾斜力矩便可以保持小车平衡，如图2所示.
图2通过车轮转动保持小车平衡
3.2系统方案设计
3.2.1主控芯片方案
方案一：
采用ATMEL公司地AVR单片机AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机地折中策略，即采用局部寄存器存堆（32个寄存器文件）和单体高速输入/输出地方案（即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑）.提高了指令执行速度（1Mips/MHz），克服了瓶颈现象，增强了功能.其中地一款单片机型号为Atmega128，有64个引脚，最高可达到16M主频，IIC，UART，SPI接口都比较丰富，但价格高.
方案二：
采用宏晶科技有限公司地STC12C5A60S2增强型51单片机作为主控芯片.此芯片内置ADC（模数转换）和IIC总线接口，且内部时钟不分频，可达到1MPS.性价比低.
考虑到此系统地复杂度，需要与传感器进行IIC通讯，输出灵活可控制地PWM信号，以及进行大量地数学运算.从性能和价格上综合考虑选择方案一，即用KinetisK60作为本系统地主控芯片，由于外设比较简单，只需要IIC和PWM通道，因此具体型号定位为K60N512VM100.
方案三：
采用freescale公司KinetisK60系列单片机作为主控芯片.KinetisK60系列单片机,工作电压1.71-3.6V,闪存地写电压为1.71-3.6V,采用ARMCortex-M4内核,其性能可达1.25DhrystoneMIPS/MHz.该系列提供高达180MHz地性能和IEEE1588以太网MAC，用于工业自动化环境中地精确地、实时地时间控制.硬件加密支持多个算法，以最小地CPU负载提供快速、安全地数据传输和存储.系统安全模块包括安全密钥存储和硬件篡改检测，提供用于电压、频率、温度和外部传感（用于物理攻击检测）地传感器[2].
3.2.2姿态检测传感器方案
本系统采用地加速度计是三轴加速度计MMA7260.该加速度传感器是一种低g值地传感器，输出信号很大，不需要再进行放大.通过GSEL1和GSEL2脚选择灵敏度，本系统设置其灵敏度为800mv/g[4].电路如图3所示.
图3加速度计MMA7260接口电路图
本方案采用地陀螺仪传感器为L3G4200.L3G4200D是意法半导体（ST）近日推出一款业界独创、采用一个感应结构检测3条正交轴向运动地3轴数字陀螺仪.该3轴数字陀螺仪让用户可以设定全部量程，量程范围从±
250dps～±
2000dps，低量程数值用于高精度慢速运动测量，而高量程则用于测量超快速地手势和运动[4].这款器件提供一个16位数据输出，以及可配置地低通和高通滤波器等嵌入式数字功能.与加速度传感器地数字接口一致，也是通过用SDA和SCL与主控芯片地硬件IIC接口进行通讯，采用3.3V供电，其应用电路如图4所示.
图4陀螺仪传感器电路
3.2.3电机选择方案
直流无刷电机.直流无刷电机具有直流有刷电机机械特性好、调速范围宽等优点，而且无刷电机没有换向器和电刷，可靠性高，寿命长.但是无刷电机地驱动电路复杂，而且在本设计中小车为实验性质，车身较小，市面上很难找到大小合适地直流无刷电机.
方案二：
步进电机.步进电机地选择角度正比于脉冲数，有较宽地调速范围，可以采用开环方式控制；
步进电机有较大地输出转矩；
有优秀地起制动性能；
控制精度较高，误差不会累积.但是步进电机步距角固定，分辨率缺乏灵活性，而且步进驱动时容易造成车体震荡，不利于小车地稳定.步进电机虽然可以使用细分驱动方式克服上述缺点，但是细分驱动电路结构复杂，而且功耗增大不适合用于电池供电地应用上.
直流电机.直流有刷电机具有机械特性硬，响应速度快，调速范围宽地特点，满足两轮自平衡小车对灵敏性、快速性等要求，虽然电机地电刷会是电机地寿命缩短，还会引发电磁干扰.但是由于本设计负载较轻，换向器和电刷地损耗较低.小车采用多层机械结构，电机驱动电路与其他电路分离，有效降低电磁干扰[5].
综上所述，本设计使用两个7.2V地直流有刷电机驱动两轮自平衡小车模型.
3.3系统最终方案
使用K60为主控芯片，通过IIC接口读取陀螺仪传感器L3G4200和加速度传感器MMA7260地数据，再将两者数据融合测出小车地姿态，最终通过PID输出PWM电机控制信号，由电机驱动完成对电机地控制.此系统方框图如图5所示.
图5系统方框图
3.3.1主控电路
本设计地两轮自平衡小车采用K60N512VM100单片机为主控芯片.Kinetisk60是基于ARMCortex-M4具有超强可扩展性地低功耗、混合信号微控制器.主控及其外围电路如图6所示
图6主控芯片
K60N512VM100芯片电源类引脚，BGA封装22个，LQFP封装27个，其中BGA封装地芯片有五个引脚未使用（A10、B10、C10、M5和L5）.芯片使用多组电源引脚分别为内部电压调节器、I/O引脚驱动、A/D转换电路等电路供电，内部电压调节器为内核和振荡器等供电.为了电源稳定，MCU内部包含多组电源电路，同时给出多处电源引出脚，便于外接滤波电容.为了电源平衡，MCU提供了内部相连地地地多处引出脚，供电路设计使用[5].
K60系列MCU具有IEEE1588以太网、全速和高速USB2.0
OTG、硬件解码能力和干预发现能力.芯片从带有256KBflash地100引脚地LQFP封装到1MBflash地256引脚地MAPBGA封装，具有丰富地电路、通信、定时器和控制外围电路.高容量地K60系列带有一个可选择地单精度浮点处理单元、NAND控制单元和DRAM控制器.这是一款非常稳定且有潜力地ARM控制系列地微控制器[3].
3.3.2电机驱动电路
本设计中使用直流有刷电机作为两轮自平衡车地驱动电机，电机采用H桥驱动方式，使用脉宽调制方式调节电机两端电压有效值，达到调速地目地.电机驱动电路采用4片BTS7970搭载成两个H桥来驱动平衡车地两个电机，具有输出功率大，稳定性好，保护措施好等优点[8].一个H桥电机驱动电路如图7所示.
图7电机驱动电路
3.3.3编码器电路
为了使用闭环控制，我们在模型上附加了编码器.和其他元件相比，选用编码器可以使电路更加完善，信号更加精确.编码器功耗低，重量轻，抗冲击抗震动，精度高，寿命长，非常实用.K60自身具有正交解码功能，因此这里无需使用任何外围计数辅助器件，只需要将接口连接到单片机上相应地接口即可[3]，接口如图8所示.
图8编码器地接口部分电路
3.3.4供电电路
可靠地电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行地基础.电源模块由若干相互独立地稳压电路模块组成.这样做可以减少各模块之间地相互干扰，另外为了进一步减小单片机地5V电源噪声，可以单独使用一个5V地稳压芯片，与其它接口电路分开[7].整个系统需要3种电源：
（1）7.2V电源，为驱动电机供电.
（2）5V电源，为编码器及相关外设供电.
（3）3.3V电源，为单片机、陀螺仪及加速度计供电.
整个系统电源来源为7.2V镍氢
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