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1、2012福建省大学生电子设计竞赛论文题目：自平衡小车系统（D题）目录摘要3一、设计任务4二、设计要求62.1基本要求62.2发挥部分6三、方案的选择73.1控制器模块的选择73.2电机驱动电路73.3电源模块73.4寻迹传感器模块83.5最终方案8四、理论分析与计算94.1自平衡小车的数学模型及控制算法94.2动力学模型及其参数说明104.3控制算法的设计124.4小车运动的精确控制13五、电路硬件设计145.1单片机最小系统145.2电机驱动模块145.3寻迹模块165.4角度检测模块16六、软件设计186.1软件设计的主程序流程图186.2驱动、中断、寻迹程序流程图19七、测试方案与测试结
2、果227.1测试仪器与设备227.2测试方法227.3测试结果227.4总结24八、参考文献25附录一各系统原理图与实物图26附录二原件清单29附录三程序30摘要自平衡小车是一个集多种功能于一体的综合系统，在完成自身平衡的同 时，还能够适应各种环境下的控制任务。利用外加的3轴加速度传感器、陀螺 仪、光电反射式传感器、来实现小车的自主循迹、加速减速、路径规划等功 能。由于特殊的结构，其适应地形变化能力强，运动灵活。自平衡小车系统选用STC89C52单片机最小系统为控制模块，模块化的设计 方案。通过光电反射式传感器ST178对信号进行采集，采集到的信号经比较器 LM324处理后传给52片机，经单片
3、机处理后，发出控制命令L298N，驱动2台 直流电动机进行相应的动作。该小车能够识别出黑色轨迹并能沿着黑色轨迹前 进，走出相应的S形路线直到终点。关键词：STC89C51最小系统电机驱动ST178光电反射式传感器、设计任务设计并制作一个自平衡小车。两轮驱动、一轮为万向轮，如图1所示。车 体重心必须在驱动轮轴与万向轮之间，小车可以按图2的所场地运行一周。图1-1小车结构示意3204ft： cm图1-2场地示意图图1-3小车直立状态示意二、设计要求2.1基本要求（1）三轮着地，万向轮在前，可沿引导线逆时针方向运行一周，全程时间不 超过3分钟。（2）引导线的A、B点之间为加速区，B、C区为减速区，车
4、速应有明显变化 （时间比约1:2）。（3）D、E两点为引导线断开区域，小车经过D点时能正常运行，并能寻迹 至E点后继续行驶。（4）E点到F点区域必须按S形路线行驶。2.2发挥部分（1）由人手持小车为直立状态（两轮着地）开始保持平衡，放手后沿引导线 逆时针方向运行一周。（2）（3）（4）项与基本部分的（2）（3）（4）一致。（5）其他创新功能。三、方案的选择3.1控制器模块的选择方案1：选用一片CPLD (如EPM7128LC84-15)作为系统的核心部件，实现 控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优 点，可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片
5、机有较大的劣 势。同时，CPLD的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系 统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。若采 用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，我们不采用 该种方案。方案2：采用STC89C52RC单片机作为控制器，此类单片机通用灵活、价格 低廉、使用方便这种方案设计占用单片机的端口最少，硬件也少。耗电也最 小。并且软件实现也比较容易，它极大能力的节省了 I/O的使用，为系统功能 扩展提供了必要的条件。在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素 后，我们决定采用一片单片机，充分利用STC89C52单片机的资源所以我们选
6、择 方案2。3.2电机驱动电路方案1：采用直流电机驱动芯片MC338886，驱动电流可达2A，外围器件简 单，贴片封装体积小，但调速时MC338886发热量很大，导致MC338886的FS引 脚置位，从而使其不工作，特别是采用反向制动后置这这只这种情况更严重。方案2:采用直流电机驱动芯片L298N，驱动电流总和可达到4A，它可以 驱动二相和四相步进电机的专用芯片，我们利用它内部的双H(如图1)桥式电路 来驱动直流电机，这种驱动电路可以 很方便实现直流电机的四象限运行，分 别对应正转、正转制动、反转、反转制动。控制比较简单，电路也很简单。因 此我们选择此方案。3.3电源模块由于本系统需要电池供电
7、，我们考虑了如下集中方案为系统供电。方案1：采用12V蓄电池为直流电机供电，将12V电压降压、稳压后给单 片机系统和其他芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输 出性能。但是蓄电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便，同时 我们的车体设计时空间不够。因此我们放弃了此方案。方案2：采用一组4节1.5v电池为单片机供电，2节4V电池为电机供电， 这样小车空间又足够，方便使用分配空间，且能够为单片机和电机提供足够的 驱动电流。且工作电流小，易于制作。综上考虑，我们选择了方案2.3.4寻迹传感器模块方案1：用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。红外发射 管发出红外线，当
8、发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接 收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光 线则检测出黑线继而输出高电平。这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满 足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此我们放弃了这个 方案方案2：使用ST178型反射式光电传感器，ST178型反射式光电传感器具有 如下特点：1）采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电品体管组成。2）检测距离可调整范围大,4-10mm可用。3）采用非接触检测方式。此光电对 管调理电路简单，工作性能稳定。因此我们选择了方案2。3.5最终方案经过反复论证，我们最终确定了如下方案：（1）
9、采用STC89C52单片机为主控制芯片。（2）用2节4v电池为直流电机供电和4节1.5v电池为单片机系统和其他 芯片供电。（3）用ST178型反射式光电传感器进行寻迹。（4）L298N作为直流电机的驱动芯片。系统的结构框图如图2-1所示：图3-1系统方框图四、理论分析与计算4.1自平衡小车的数学模型及控制算法自平衡小车由一个前万向轮，两个后驱动轮构成，直立时侧面构架如图4- 1所示，可在以电机轴心线为中心的前后转动。若定义以车身垂直地面为 0，仅考虑机械结构方面的限制，则车身可摆动的范围在-30至+30之间。图4-1小车侧面图当未做控制时，小车不论向前倾斜或向后倾斜，左右电机都应处于静止状 态
10、。也就是说小车前后的摆动与电机转动是相互独立的。当开始控制时，小车 在竖直站立状态下释放，分别有静止、前进及后退三种运动方式，如表4-1所 示,在正确的控制策略下，小车能够保持自身的平衡。表4-1两轮自平衡小车运动方式归纳静止如果重心位于电机轴心线的正上方，则小车将保持平衡静止状态， 不需要做任何控制。前倾如果重心靠前，身体会向前倾斜，则驱动车轮向前滚动，以保持小 车平衡。后退如果重心靠后，身体会向后倾斜，则驱动车轮向后滚动，以保持小 车平衡。图4-2中，假设小车垂直地面为初始状态。由于车身具有惯性，当自平衡 小车向左倾斜时，通过控制电机使车轮向左运动来维持小车的动态平衡。这就 是定质心自平衡
11、小车从静止到运动的启动方法。图4-2两轮自平衡小车启动状态因此，自平衡小车平衡控制的基本思想是:当测量倾斜角度的传感器检测到 小车产生倾斜时，控制系统根据测得的倾斜角度产生一个相应的力矩，通过控 制电机，驱动两个轮子朝车身要倒下的方向运动，以保持小车的动态平衡。4.2动力学模型及其参数说明自平衡小车车轮不但受电机的输出转矩，地面支持力，摩擦力的影响，还通 过电机轴受到小车的车身作用力。直立时其车轮受力图如图4-3,车架受力示 意图如图4-4。图4-3车轮受力示意图图4-4车架受力示意图=%-Hl=TmL - HfT以车轮，车架为研究对象，分别列出车轮，车架方程，左右两轮具有对称 性，左轮方程为
12、(式 1-1)式中m为车轮质量，kg; J为电机转子和车轮等效在电机轴上的转动惯量， kg廿；r为车轮半径，m;sl为左轮转速,rad / s;七为左轮电机电磁转矩， N - m; Hl为左轮承受的车身水平作用力，N。mL由车架得到方程m 0 叭=H m 0a0 = F - m 0g,（式 1-2）I。= Fl sin 8 - Hl cos 8 - T式中n , a分别为质心水平，竖直位移；F, H分别为车轮从水平、竖直 方向施加给车身的力，N； l为质心距车轮轴距离，m; 0为车架竖直倾角， rad; m0为车架重量，kg。自平衡小车平衡后，可假设车架倾角在5范围内。取近似值（sin?= ,
13、 cos? = 1 ）,并将式（式1 ）代入式（式2 ）,得到车架前进运动 模型为(式 1-3)(2m r + m 0r + + m 0l)3 =rA1 -(I + m 012) + m 01 帅 + gm 01 8 rr这样，就建立了关于车架竖直方向角度和车轮转速微分方程。4.3控制算法的设计4.3.1平衡控制自平衡小车是一个多输入、单输出系统，分别以小车竖直角度、竖直方向角 速度和电机转速为输入，车轮转动角加速度为输出。(式 1-4)r由上面得到的微分方程得出状态方程为000V r001+0b一1* *a00_cb(式 1-5)其中a = (2 mr2 J八+ m 01) r1b = (I
14、 + m 012) + m 01；r利用线性系统的可控性秩判据rank ( B AB A.B ) = 3,系统可控；利用线 性系统的可观性秩判据rank ( C CA CA 2 ) =3，系统可观。因此，近似线性化 系统状态完全可控可观，系统满足最优控制使用条件。下面应用LQR控制算法对其进行计算，设最优控制向量的矩阵为K,则有 ub(t) = K - %(t) = Kv 1，(式 1-6)式中u ( t)为满足两轮自平衡机器人处于平衡状态的加速度，这样，就 得到了满足平衡控制要求的控制量。4.3.2直行和转弯控制自平衡小车的其他运动（直行，转弯）都是在这个控制量的基础上进行 加减的，具体控制方法如图3-3所示。小车直立行进是以小车平衡的基础上，通过给两轮增加相同的控制量u 来实现的。由于两轮分别独立驱动，即便获得同样的直行信号 u也不能保证 s 两轮行进速度始终相同。行进路线保持直线，这样，就需要小车对于行进方向 具有自动校正能力。小车直线行走模型是一个双输入、单输出系统，输出u与水平转速0和两 轮行进距离的差（- xr） / 2成线性关系u 0 = h 1 士 h 2 %2 Xr。（式 1-7）小车的转向运动，可以通过两轮差动方法实现，分别给左右两轮加上一对 大小相同、方向相反的控制量u r。这样，就可以得到两轮自平衡小车总输出为u = ub +
