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1、摘要近年来，双轮自动平衡机器人的探究取得了迅猛的进展，双轮自动平衡很小车的动力学体系是一种多变量、非线性、强耦合的体系，是检验各种操控方法的典型装置。同时由于它具有体积很小、运动灵活、零转弯半径等特点，必将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。本文关键介绍了基于Freescale MC9S12XS128控制器为操控核心的双轮自动平衡很小车体系，以验证经典的PID操控在动态平衡体系上的操控效果。在该体系上，姿势传感器采用MPU6050，控制器在收集到姿势数据后，采用Kalman滤波器对得到的数据进行融合，并在此基础上分析不同滤波方法的效果。借助增量式PID操控PWM的输出和利用TB6612FNG
2、操控马达的转向以及转速，从而达成了很小车的自动平衡操控。关键词：双轮自动平衡体系； Kalman滤波； 数据融合； HCS12； MPU6050 . Design and implementation of two-wheeled self-balancing vehicleAbstractIn recently years, the research of two-wheeled self-balancing robot has made a rapid development, the dynamics system of two-wheeled self-balancing vehicl
3、e is a multivariable, nonlinear, strong coupling system, and also ，its a typical devices to test a variety of control methods. Because of it has a small, flexible movement and zero turning radius. It will have a wide range of applications in military and civilian fields.In the article, it describes
4、the Freescale MC9S12XS128 microcontroller-based control of two-wheeled self-balancing vehicle system to verify the classic PID control system in the dynamic balance . On this system, It used MPU6050 as the car state sensing system, and it used the Kalman filter to fuse the obtained angle data, and a
5、nalyzed the effect of different filtering methods based on this. With incremental PID control PWM output and use TB6612FNG steering and speed control motors, enabling the cars self-balance control finally.Keywords: two-wheeled self-balancing system; the Kalman filter;HCS12;MPU6050目录摘要2第1章 绪论61.1 双轮自
6、动平衡机器人概述61.2 双轮自动平衡机器人的进展61.3 方案论证及选取71.4 关键技术及目标81.4.1 姿势数据处理81.4.2 操控算法的达成91.4.3 目标9第2章 双轮自动平衡很小车的原理102.1 很小车的站立操控102.2 倾斜角度与角速率的测量132.3 本章很小结14第3章 电子电路设计153.1 全体电子电路框图153.2 电源电子电路163.3 控制器最很小体系173.3.1 S12控制器简介173.3.2 MC9S12XS128最很小体系电子电路173.4 MPU6050183.4.1 MPU6050简介183.4.2 I2C通信193.5 马达驱动电子电路193
7、.5.1 驱动IC介绍193.5.2 驱动电子电路设计203.6 速率传感器电子电路213.6.1 光电编码器介绍213.7 无线遥控电子电路213.7.1 Pt2262简介213.7.2 Pt2262应用223.8 液晶显示电子电路233.8.1 LCD1602简介233.8.2 LCD1602电子电路233.9 车模操控电子电路全图243.10 本章很小结26第4章 体系软件设计274.1 操控算法介绍274.2 S12控制器初始化284.2.1 锁相环初始化284.2.2 PWM部分初始化284.2.3 串行通信初始化284.2.4 外部中断初始化294.3 PID操控的达成294.4
8、姿势数据处理294.4.1 角度计算函数294.4.2 滤波方法分析与选取294.5 很小车的运动操控334.6 无线遥控334.7 本章很小结33第5章 体系调试355.1 软件调试工具355.2 体系调试工具355.3 体系硬件电子电路调试355.4 姿势监测部分调试355.5 Kalman滤波器参数的整定375.6 PID参数的整定375.7 本章很小结38第6章 总结396.1 总结与展望39参考文献41附录43附录一 体系主控板43附录二 体系核心源码44致谢47第1章 绪论双轮自动平衡体系最先可上述到上世纪八十年代，日本通信大学的山藤推出的根据倒立摆原理的自动平衡机器人的模型被认为
9、是双轮自动平衡很小车的最初设计。本章关键是讲述了自动平衡很小车的起源与进展、探究价值和国内外的设计现状，并依此推出了本论文的关键探究内容。1.1 双轮自动平衡机器人概述双轮自动平衡很小车是一种只有两个车轮且能在没有人为因素干涉的情况下，能够自动维持的平衡的这样一个设备。自动平衡很小车体系的工作原理关键是飞机平衡的原理，也就是车辆自己的自动平衡能力1。自动平衡很小车体系通过陀螺仪传感器和加速率传感器计部分来监测很小车的加速率传感器以及角速率，MCU收集相关数据并进行运算，产生与当前体系姿势所适应的信号来驱动马达运动以达到平衡的效果。例如当体系向前倾时，经由姿势监测传感器监测出当前体系的姿势，MC
10、U提取有关数据以后进行计算，驱动马达以一个合适的加速率传感器向前运动，以此来使体系处于平衡形态。相反的，如果体系向后倾斜，那么很小车将会以某个速率向后运动，保证很小车处于站立形态。虽然双轮自动平衡体系推出的时间并不是很长，可是由于对双轮自动平衡体系的探究有很重要的价值而得到了迅猛的进展。双轮自动平衡很小车的数学模型类似一阶倒立摆，它是一个典型多变量、存在严重非线性、非自治不稳定体系。这个体系是检验各种操控方法的理想平台。例如我们可以用经典的PID操控对其进行操控2，也可使用模糊操控理论对体系进行操控。另外双轮自动平衡体系具有体积很小、硬件易达成、运动灵活、零转弯半径等特点，这将会使其在未来得到
11、广泛的应用。1.2 双轮自动平衡机器人的进展本世纪初，由于操控理论趋于完善，而且电子技术得到飞跃式的进展，达成双轮自动平衡体系成为可能，于是该项技术迅速引起了探究机构和机器人爱好者极大地关注。出于不同的应用与目的，不同设计方案和操控策略的自动平衡体系相继诞生。在双轮自动平衡体系的探究领域，国外的探究起步较国内早，国外已经有企业做出了非常成熟的产品，而且其技术己经达到了一个很高的水平，国内的探究相对较少。下面分别介绍国内外一些关键的双轮自动平衡体系的进展：1. SEGWAY HT2001年，美国的学者Kamen发明了一种新型的双轮交通、运输工具“Segway”3 。这种交通、运输工具节能环保、方
12、便快捷以及更为实用，而且由于其体积较一般的交通、运输工具要很小很多，所以在解决交通、运输拥堵方面具有得天独厚的优点。图1.2.1为Segway企业生产的一种双轮自动平衡电动车。Segway的运作基本原理关键是建立在“动态稳定”的基本原理之上的，它通过高精准度的陀螺仪传感器和其他角度传感器来监测车身的姿势，并通过高速的CPU发出指令，驱动马达以维持车身出于站立的平衡形态。图 1.2.1 Segway2. Nbot由美国学者David P.Anderson设计的双轮自动平衡机器人Nbot也是非常成功的应用例子。Nbot通过使用惯性传感器和马达编码器来达成体系的平衡。3. Unibot2007年，U
13、nibot诞生于加州大学圣地亚哥分校，Unibot是双轮自动平衡体系的最新探究成果，采用了独轮自动平衡机器人操控，结合了倒立摆和惯性体系的驱动方法。在Unibot这个体系中，采用了陀螺仪传感器和加速率传感器计作为姿势监测传感器，在车轮运动方位上利用马达驱动操控，在垂直于车轮运动方位上，利用不平衡体旋转来提供补偿力矩。虽然当前只达成了倾斜角度很小界限操控，但具有很重要的指导价值4。国内在这方面的探究关键成果有：国立中央大学在2004年利用模糊操控达成了双轮自动平衡小车的操控5。在2009年，北京工业大学电子工程与智能信息探究所研发出了“原人3号”机器人6，它是一种基于红外姿势监测的双轮自动平衡机
14、器人。通过设置机器人上部的红外传感器监测其与地面的距离，得出姿势信号，经由对应的处理之后，产生驱动信号。这种方法简单易行且有优良的操控效果。1.3 方案论证及选取由于双轮自动平衡体系完美的综合了操控技术与电子技术知识，对加深所学的理论知识有很大的帮助。达成双轮自动平衡体系的关键方法就是通过控制器收集姿势传感器的数据来操控马达的运动。姿势传感器选用数字输出的六轴姿势传感器MPU6050。方案上的选取关键就是对MCU、马达驱动单元及操控算法的选取。首先，常见的控制器有8位的51控制器、8位的ATmega16控制器以及16位的Freescale控制器。那么双轮自动平衡很小车体系有三种方案可供选取。方
15、案一，选用51控制器作为主控IC。51控制器时当前进展最成熟的控制器，且型号众多、价格相对较低。可是由于其片内资源较少，而双轮自动平衡小车体系需要A/D转换部分、PWM部分。如果选用51控制器的话，会增添外围电子电路的设计复杂度，而且由于51控制器的运行速率相对较缓慢，这将致使体系的全体性能不高。方案二，选用ATmega16控制器作为双轮自动平衡体系的主控IC。虽然ATmega16控制器片内集成了A/D等资源，而且运算速率相比51控制器会快很多。但是由于ATmega16控制器只有32路I/O端口，若使用该控制器作为主控IC，会致使I/O资源紧张。所以也不提倡采用ATmega16作为主控IC。方案三，使用Freescale的16位控制器S12XS128作为主控IC。Freescale控制器运用在汽车操控方面有独特的优点，片内资源丰富、运算速率快、而且有非常丰富的I
