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双轮自平衡车设计报告

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目录

双轮自平衡车原理

总体方案

电路与程序设计

算法分析及参数确定过程

双轮自平衡车原理

1、控制小车平衡得直观经验来自于人们日常生活经验。一般得人通过简单练习就可以让一个直木棒在手指尖上保持直立。这需要两个条件:一个就是托着木棒得手掌可以移动;另一个就是眼睛可以观察到木棒得倾斜角度与倾斜趋势(角速度)。通过手掌移动抵消木棒得倾斜角度与趋势,从而保持木棒得直立。这两个条件缺一不可,让木棒保持平衡得过程实际上就就是控制中得负反馈控制。

图1木棒控制原理图

2、小车得平衡与上面保持木棒平衡相比,要简单一些。因为小车就是在一维上面保持平衡得,理想状态下,小车只需沿着轮胎方向前后移动保持平衡即可。

图2平衡小车得三种状态

3、根据图2所示得平衡小车得三种状态,我们把小车偏离平衡位置得角度作为偏差;我们得目标就是通过负反馈控制,让这个偏差接近于零。用比较通俗得话描述就就是:小车往前倾时车轮要往前运动,小车往后倾时车轮要往后运动,让小车保持平衡。

4、下面我们分析一下单摆模型,如图4所示。在重力作用下,单摆受到与角度成正比,运动方向相反得回复力。而且在空气中运动得单摆,由于受到空气得阻尼力,单摆最终会停止在垂直平衡位置。空气得阻尼力与单摆运动速度成正比,方向相反。

图4单摆及其运动曲线

类比到我们得平衡小车,为了让小车能静止在平衡位置附近,我们不仅需要在电机上施加与倾角成正比得回复力,还需要增加与角速度成正比得阻尼力,阻尼力与运动方向相反。

5平衡小车直立控制原理图

5、根据上面得分析,我们还可以总结得到一些调试得技巧:比例控制就是引入了回复力;微分控制就是引入了阻尼力,微分系数与转动惯量有关。

在小车质量一定得情况下,重心位置增高,因为需要得回复力减小,所以比例控制系数下降;转动惯量变大,所以微分控制系数增大。在小车重心位置一定得情况下,质量增大,因为需要得回复力增大,比例控制系数增大;转动惯量变大,所以微分控制系数增大。

总体方案

■小车总框图

三.电路与程序设计

1、主要元器件选型

A、STM32F103RCT6最小核心板

■小容量增强型,32位基于ARM核心得带16或32K字节闪存得微控制器USB、CAN、6个定时器、2个ADC、6个通信接口功能。

■内核:ARM32位得Cortex?-M3CPU

?最高72MHz工作频率,在存储器得0等待周期访问时可达1、25DMips/MHz(Dhrystone2、1)。

?单周期乘法与硬件除法。

■存储器

?从16K到32K字节得闪存程序存储器。

?从6K到10K字节得SRAM。

■时钟、复位与电源管理

?2、0～3、6伏供电与I/O引脚。

?上电/断电复位(POR/PDR)、可编程电压监测器(PVD)。

?4～16MHz晶体振荡器。

?内嵌经出厂调校得8MHz得RC振荡器。

?产生CPU时钟得PLL

?带校准功能得32kHzRTC振荡器

■低功耗

?睡眠、停机与待机模式

?VBAT为RTC与后备寄存器供电

■2个12位模数转换器,1μs转换时间(多达16个

输入通道)

?转换范围:0至3、6V

?双采样与保持功能

?温度传感器

■DMA:

?7通道DMA控制器

?支持得外设:定时器、ADC、SPI、I2C与USART

■多达80个快速I/O端口

?26/37/51个I/O口,所有I/O口可以映像到16个外部中断;几乎所有端口均可容忍5V信号

B、L298N双直流电机驱动模块

■板载一个L298N马达控制芯片与一个7805稳压芯片。

■模块可以同时驱动2个直流电机或者一个五线四相式步进电机。

■模块输入电压6~12V

■常用得电机驱动功能够用切资料也很好找。

C、传感器MPU6050模块

■此六轴模块采用先进得数字滤波技术(卡尔曼滤波),能有效降低测量噪声,提高测量精度。模块内部集成了运动引擎DMP,获取四元数得到当前姿态。姿态测量精度0、01度,稳定性极高,性能甚至优于某些专业得倾角仪！采用高精度得陀螺加速度计MPU6050通过IIC协议输出保证数据得准确性。

■电压:3V~6V。电流:10mA。体积:17、8mmX17、8mm重量:1、1g

■测量维度:加速度:3维,角速度:3维,姿态角:3维

■量程:加速度:±16g,角速度:±2000°/s。

■分辨率:加速度:6、1e-5g,角速度:7、6e-3°/s。

■稳定性:加速度:0、01g,角速度0、05°/s。