智能小车系统设计大学设计

摘要 随着科学的发展和科技的进步，人们在完成一件事情的时候不单单只关注 结果而且也越来越多的考虑过程的影响，比如说对环境的影响还有方便程度等， 而且对智能化的要求也越来越高。两轮智能车不仅节省了空间而且节省了能源， 为人们未来的生活带来了不少好处。 本系统以MC9S12XS128MAA单片机为核心，其中还包括倾角检测模块、速 度检测模块、电源模块、电机驱动模块、路径检测模块、拨码盘组成。电源模块 把7.2V电压转换为5V、3.3V电压，速度检测模块检测电机的速度，倾角检测模 块检测智能车的倾角从而为控制智能车的直立提供信息,拨码盘可对电机的速度 进行直接设定。本系统有两个电机驱动，一个电机驱动一个轮子，通过电机转速 的不同实现方向控制和直立控制。本智能车可以沿着特殊的路径进行智力的行走。 本系统显示了高度的智能化，可以为无人驾驶汽车的后续研究提供经验，方 便人们的生活和工作。 关键词：MC9S12XS128MAA单片机、传感器、PID算法 Abstract With the development of science, When finish one thing people don't just fo cus on results, but also more and more considering the influence of the process . For example the influence of environment and the convenience of life. And people have high requirement of intelligent. Two rounds of smart car not only saves space and save the energy. Make people' s life more and more convenienc e and comfortable. This system with MC9S12XS128MAA single-chip microcomputer as the core. This system aslo contains Angle detection module > Speed detection、modulepowe r module driver module of electric motor、Path detection module. Dial the enco der. The angle can offer information to make the smart car upright. Power suppl y module convert voltage of 7.2 V to 5 V, 3.3 V voltage. Speed detection modu le to detect the speed of the motor. Dial the encoder can be set speed of the motor .This system has two motor ,one motor drive one wheel Through the sp eed of the motor can make the smart car upright. The smart car can walk along a path of special intelligence. This system shows the highly intelligent.Make people，s life more convenien ce.At he same time can save a lot of time to do other things. Keyword: MC9S12XS128MAA> sensor、PID arithmetic 第一章引言 1.1两轮自平衡小车研究的意义 两轮自平衡小车的研究是在移动机器人研究的基础上发展起来的。移动机器 人随着科学技术的发展而不断进步，现在机器人的发展水平可以代表一个国家的 综合实力。两轮自平衡小车也是移动机器人的一种。它是自动控制理论与技术和 动力学理论相结合的一个研究性课题，可以感知动态决策的能力，两轮自平衡智 能车能够灵活的运动而且能够保持平衡的行走，两轮智能车的结构特殊能够适应 地形的变化，能在复杂的环境下进行工作。两轮智能车还有其他的一些优点比如: 1、 体积小，便于存储，节省空间而且灵活方便。 2、 功率小，使电池能长时间的供电，节省资源。 3、 转弯半径极小，科技含量高。 由于两轮自平衡小车有以上各种优点所以两轮智能小车会在军用和民用 领域有着广泛的应用前景。因为它既有理论研究意义又有实用价值，所以两轮自 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。 1.2两轮自平衡小车的研究现状 在两轮自平衡机器人的研究领域，美国、日本和瑞士等国家研究得较多，而 且己经达到了一个很高的水平，国内的研究相对还比较少。以下分别介绍国内外 一些主要的两轮自平衡机器人。 1.2.1国外研究现状 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果， 以下介绍国外几个比较先进的两轮自平衡小车: 由美国科学家David P. Anders on [2]研发的两轮自平衡机器人Nbot基于倒立摆的 小型自平衡两轮车模型，是由HCllrobotcontrOller进行控制的。 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Dean Kamen开发的’SEGWAYHT'两 轮个人交通工具是一个更为实用、成熟以及商业化的两轮运载车的版本。它可以 承载站立在平台上的驾驶者，并在保持平衡的状态下在多种路面上进行便捷的运 动，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。 SEGway是源于美国的医疗器材生厂商强生公司所开发的一种自动平衡式动力轮 椅一iBOT,这个设计是为了给残疾人提供服务，通过它可以实现自由上下楼梯， SEGWAY踏板位置低于两轮轴心的连线，系统有一定的自稳定性能，从而使控 制的难度有所下降。其运动特性类似荡秋千，总是自然的向铅直的平衡位置回归。 2004年,Homebrew机器人俱乐部的Ted Larson和Bob Allen制作了两轮自 平衡机器人Bender,并在机器人上安装了 一个摄像头使它也成为一款自主移动机 器人。它由三层板构成，支架做得很高，使重心竖直靠上。但其平衡表现很出色， 获得了 第一届年度 Robolymipics" Best of Show"类金。 1.2.2国内的研究现状 我国在两轮自平衡小车的研究方面也做出了很大的贡献，同时也取得了很大 的成就。 1）西安电子科技大学研究出了自平衡两轮机器人，它是一种两轮式左右并布 置结构的自平衡系统。它利用伺服放大器ADS作为控制器，选择两个Maxson 电机作为执行元件，采用自适应神经模糊控制器对小车这一非线性对象进行大范 围控制，从而实现系统的自平衡。 2） 哈尔滨工业大学也有类似的双轮直立自平衡机器人，该系统采用DSP作 为控制核心。车体倾斜角度检测采用加速度传感器和陀螺仪。利用PWM技术动 态控制两台直流电机的转速。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。 3） 佛山市顺德区合动智能装备有限公司已经自主研发出单轮、两轮自平衡车， 包含采用TI DSP的高性能自平衡小车直流无刷电机驱动器和自平衡小车控制器。 4） 2004年，河南科技大学研制的平衡双轮电动机样机，其控制器是C8051F020 单片机，选取陀螺仪和倾角传感器检测转动角速率和倾角，通过控制算法得到的 电压信号经D/A然后驱动电机。 5） 2005年，北京邮电大学制作了自平衡双轮移动机器人，车体重心是在机轴 线下方，其机械结构是轮子上装有球形外壳，开始用遥控器控制运动车体会摆动。 在控制系统升级后，用陀螺仪来检测小车姿态，经过控制算法来实现小车的自平 衡。 1.2.3国内外研究分析总结 通过上边对国内外对两轮自平衡小车研究的表述可知，一般两轮自平衡小车 研究基础大多是倒立摆模型，而且研究最多的是有质心的小车，通过质心可以更 好的控制小车的直立。 一般都是通过加速度传感器，陀螺仪，加速度计等测量，通过把这些数据再 次融合来得到小车的姿态。同时还要有更精密的算法来保障系统有良好的性能。 当前对两轮自平衡机器人的控制方法大致可分为：经典控制方法、现代控制方法、 智能控制方法。而本文主要是通过PID算法来控制小车。 第二章 总体方案设计 赛车的性能主要由机械结构、硬件和软件三大部分决定，机械结构是自平衡 小车能够运动的基础，软件和硬件是小车能够实现功能的重要部分。所以本自能 小车从机械结构、硬件、软件三个方面来设计。 系统整体方案设计流程图 系统整体以MC9S12XS128MAA单片机为中心，结合电源模块、电机驱动 模块、倾角检测模块、速度检测模块、路径检测模块等组合而成。要求小车能够 直立的行走。 电源模块由固定的7.2V电源利用LM2940低压差线性稳压芯器件产生5V电 源，利用ASM1117低压差调节器产生3.3V电源。7、2V、5V、3.3V电源为整个 系统的供电电源。电机速度可以用电机速度传感器中的光电编码器输出的数字脉 冲信号经过8位的脉冲计算器得到然后运用PID算法得到速度控制的输出量从 而实现小车的速度控制；电机的倾角可以根据倾角检测模块中的加速度传感器和 陀螺仪得到车模的倾角和角加速度值再使用PID算法得到小车的倾斜角和角速 度从而实现小车的直立控制，为了得到更加精确的角度信息需要对角度差进行卡 尔曼滤波，避免波动噪声的影响；运用PID算法可以使曝光时间随着光线的不 同而自适应的改变，曝光采用中断的形式进行。智能车的方向控制、速度控制、 倾角控制归根到底都是对小车电机速度的控制，通过调整电机的转速来实现小车 的直立和运动。本系统还要求小车能够沿着固定的路线运动，这就要求小车具有 检测路径的功能，利用CCD输出的电压采用二值化提取黑线。本系统还可以利 用拨码盘将开关变量直接接入单片机从而调节小车的速度，能够更好更方便的控 制小车。 2.1机械方面的总体设计 智能车的机械调整作为最基础的部分，车模的机械调整主要分为：线性CCD 的安装；编码器的安装；电路板的固定；陀螺仪和加速度计的安装；电池的安装。 2.2硬件方面的总体设计 (1) 主控使用112引脚的MC9S12XS128芯片，因为其引脚IO多，可以控制 的外围较多的外围设备； (2) 整个系统由7.2V、3、3V、5V三种直流电供电。其中7.2V电源是由直接 提供的可充电电池供电，5v、3.3V是通过7.2V电池来实现的。 (3) 电机驱动模块由4片BTS7970两两组成了一个H桥，行成两个驱动桥, 驱动左右电机。 (4) 倾角检测模块由加速度传感器和陀螺仪等组成。 (5) 速度检测模块由电机传感器欧姆龙编码器实现。 (6) 陆经检测模块通过线性CCD采集信号经放大电路后检测路径的状况。 (7) 无线检测模块由Nrf24L01无线模块和PT2272模块构成，为了了解车模 的运行状况，在调试阶段使用来保护小车。 2.3软件方面的总体设计 ⑴对各个模块进行初始化； (2) 将整个程序分为每5ms为一个周期循环执行，其中5ms中分为每1ms 中执 行不同的任务； (3) 在一个周期中的1ms为对编码器的脉冲进行计数以及对陀螺仪和加速 度计的模拟量进