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1、机械工程学院毕业设计（论文）题 目： 基于视觉导航两轮平衡车的设计 专 业： 机械电子工程 基于视觉导航两轮平衡车的设计摘 要：本论文旨在研制一种单轴双轮平衡车并实现视觉导航辅助驾驶。该系统的研究分为两部分，第一部分就是通过姿态传感器和姿态算法，补偿陀螺仪漂移误差和加速度计动态噪声误差得到系统角度角速度以达到平衡直立的目的；第二部分就是关于机器视觉的研究和视觉导航和辅助驾驶。第一部分：双轮平衡车实现原理就是通过系统的姿态传感器（陀螺仪和加速度计）监测车体当前的俯仰状态和俯仰变化率状态（即为角度和角度度），由MCU计算处理驱动电动机向前或者向后的加速度实现车体平衡的效果。对于姿态监测，单独使用角
2、速度传感器（陀螺仪）或者加速度传感器都是不能提供有效的信息保持车体直立，本论文基于互补滤波通过角速度传感器和加速度传感器进行角度融合，补偿陀螺仪漂移和加速度传感器动态噪声，估计最优俯仰状态。对于车体的直立控制、速度控制和方向控制，我们都要求准确性、稳定性、强劲性等特点，应用最普遍的就是PID算法。本论文通过车体当前运行状态下的直立偏差、速度偏差、方向偏差的比例、积分和微分（即为PID调节器），配合控制理论线性系统叠加原理最终对车体的左右电机进行控制。第二部分：本论文通过CMOS摄像头采集路况实时信息，并对实时路况信息进行运算处理，识别出道路元素最终以车体转向的方式达到视觉导航。关键字： 平衡车
3、 陀螺仪 加速度计 互补滤波 PID CMOS目录一、绪论：41.1研究背景：41.2研究意义：41.3现状分析：41.3.1国外现状：41.3.2国内现状：61.4本论文研究的内容：8二、整体方案设计：82.1整体概述：92.2硬件设计：102.2.1电源设计：102.2.2复位电路设计：112.2.3MCU电源设计：122.2.4调试接口JTAG电路设计：132.2.5电机驱动模块电路设计：142.2.6陀螺仪加速度计电路设计：172.2.7CMOS摄像头电路设计：202.3软件设计：222.3.1MCU需要使用的资源配置：222.3.2PWM（Pulse Width Modulation
4、）输出模块：232.3.3陀螺仪加速度计采集模块：252.3.4周期中断定时器模块：272.3.5互补滤波算法及平衡控制模块：282.3.6速度采集及速度控制模块：392.3.7CMOS摄像头采集处理算法及转向模块：492.4人机接口及调试接口调试软件设计：54三、总结与致谢：58参考文献59一、绪论：随着国民生活质量的提高、国内高新技术的发展，特别是嵌入式技术和机器人技术的发展，人民迫切希望更加智能更加方便的交通工具得到发明。为此，本论文研究一种单轴双轮平衡代步车以及视觉导航技术实现辅助驾驶。1.1研究背景：近年来，国内机器人技术空前发展，机器人应用的领域也在不断扩大，当然机器人所面临的环境
5、和所需要执行的任务也是越来越复杂。特别是在一些危险地带或者空间狭小人类无法触及的地方，机器人是一个很好的选择。无论是因为何种目的而设计的机器人都是朝着人民生活水平不对安提高的层次进行，为此一种两轮平衡代步车的概念被提出。1.2研究意义：两轮代步车是一个多变量、非线性的复杂不稳定系统。其运动环境复杂、运动学方程非完整约束，控制任务具有一定的复杂性。但是双轮代步车具有结构简单、运动灵活、适合在小空间内运动等特点，具有一定的应用前景。为了让代步车朝着智能化发展，迫切需求其可以辅助驾驶，甚至自动驾驶，为此我们需要研究机器视觉及图像处理方面的理论。1.3现状分析：1.3.1国外现状：2002年，没过Le
6、go公司设计了Legway。引入了电机差动驱动，可以再斜面或者不规则表边上运动。可以遥控操作，通过对电机的遥控可以再运动的时候保持平衡并可以实现原地转弯。2007年，日本早稻田大学研制出了NXTway。2002年，美国Segway公司开发了世界上第一部能够自平衡的两轮电动车。该电动车精心设计了机械机构并通过检测车体的角度和角速度，通过CPU处理运算控制电机前后加速运动的回复力保持车体平衡。Segway使用的是航空级陀螺仪、一组倾斜传感器、一套复杂的“直觉软件”、一个加速度计、十个微处理器、两个镍氢电池组、一台电动机和每秒检测一百多次驾驶者重心的传感器。Scgway共有五个陀螺仪传感器，其中三个
7、来检测前、后和左右方向的倾斜，另外两个传感器作为冗余，以增加安全性。传感器收集的信息被传送到主控芯片，它由两个电子控制器电路板构成。电路板包括一个微处理器的集群(德州仪器的DSP芯片)。这种集群的运算效率是普通PC的三倍，以保证车身能得到及时而高度精确的微调来防止倾倒。如果一个电路板出了毛病，另一个会立即接管所有的功能，以便让驾驶者能够安全地停下。在最高层次，主控芯片运行“直觉软件”控制Segway，软件会实时分析所有信息，调整电动机的速度。1.3.2国内现状：中国科学技术大学研究出了自平衡两轮代步电动车，它是一种两轮式左右并行布置结构的具有自平衡系统的电动车。在车体内嵌入式CPU的控制下，采
8、集平衡传感器以及速度、加速度传感器的数据，通过一定的控制算法，计算输出PWM信号控制两个伺服电机的转矩，使车体保持平衡并能够根据人体重心的偏移，自动前进、后退及转弯。 哈尔滨工程大学也有类似的双轮直立自平衡机器人，该系统采用两块Cygnal公司推出的C8051单片机和人机交互的上位机作为控制核心。车体倾斜角度检测采用AD公司推出的双轴加速度传感器ADXL202及反射式红外线距离传感器。利用PWM技术动态控制两台直流电机的转速。上位机与机器人间的数据通信采用迅通生产的PTR2000超小型超低功耗高速无线收发MODEM。人机交互界面采用240*128图形液晶点阵、方向摇杆及按键。基于这些完备而可靠
9、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。同时，关于辅助驾驶技术，国内也有很好的发展。远光灯辅助系统：当摄像系统发现前方800m内没有其他车辆时，则自动地转换到远光灯行驶。若再次有车辆进入这一范围时，则远光灯的照射距离又会自动缩小。车道偏离报警和车速限制识别系统：在车速监控中，计算机根据摄像数据提供路边限速标志的图像。它检测树立在路边的所有圆形标牌，而把不是圆形的标牌图像过滤掉，然后对剩下的图像数据与保存的限速标志图像进行对比，最后只留下带有车速限制的交通标志。辅助系统马上把车速限制的图像显示出来，而且显示的时间长短根据限速标志的有效区间而定。在卫星导航系统的电子地图上，将
10、对各个居民点进行测定，当检测到进入居民点后即自动地显示出允许的车速，如50km/h即使是没有明显的限速标志时。车道偏离报警系统用摄像机不断地采集着道路标线。车载计算机计算着车辆的位置，并判断车辆是否会偏离车道。当驾驶员感觉到手中的方向盘在振动时，表示车道偏离系统在报警。1.4本论文研究的内容：1、 系统硬件选择电路原理图搭建。2、 电机控制技术PWM和算法PID的研究和在平衡车系统中的应用。3、 姿态传感器的使用，包括陀螺仪加速度计的介绍和使用方法的研究。4、 姿态算法的研究，包括互补滤波将传感器数据融合得到可靠的倾角估计的算法研究。5、 CMOS摄像头的介绍和使用以及算法的研究。6、 CMO
11、S摄像头在视觉导航中的使用及研究。7、 系统整体的软件设计平衡系统的控制软件设计。二、整体方案设计：在整体方案设计中，分为这么几个模块：1、 硬件方案设计：硬件方案包括电源设计、MCU最小系统及外围电路设计、电机驱动设计、陀螺仪加速度计传感器外围电路设计、CMOS摄像头设计、人机接口电路设计（包括输入设备和输出设备）。2、 软件方案设计：软件方案设计包括MCU的配置、传感器陀螺仪加速度计的信号采集、数据融合算法设计、PWM技术的软件实现、PID算法实现、CMOS摄像头软件设计、视觉导航算法设计。3、 人机接口及调试接口调试软件设计：包括输入输出设备（按键、TFT液晶等）和PC上位机软件设计。2
12、.1整体概述：对于基于视觉导航的两轮平衡车，我们可以对整个系统进行研究将系统分为几个模块实现模块化研究，使系统的稳定性得到大幅提高。我们可以将车体分为平衡系统、速度系统和转向系统。对于平衡系统，我们可以控制左右电机的正反向加速运动使系统保持平衡。对于速度系统，我们需要对系统的速度进行测量并精确控制系统的速度，实际上是调节系统的姿态实现速度控制，最后还是演变为通过控制电机实现控制速度。对于转向系统，通过控制左右电机的差速，控制系统的转向。2.2硬件设计：2.2.1电源设计：电源模块是整个系统比较重要的单元，如果电源不稳定就可能导致系统死机、复位等症状。根据此系统的需要，系统由24V电源供电，本系
13、统需要三种电压，分别是电机供电24V、MCU供电陀螺仪加速度计供电3.3V、编码器等供电5V。主要设计如下：1、 采用稳压芯片LM2940将24V电源电压稳压至5V，给摄像头、编码器等外围设备供电。2、 采用稳压芯片LM1117将5V电源稳压至3.3V，给MCU、陀螺仪加速度计等供电。3、 本供电系统同时采用了大量电容滤波，保证电源电压稳定，防止系统崩溃。MCU最小系统及外围电路设计：MK60FX512VLQ15 MCU简介：MK60FX512VLQ15 是以ARM Cortex-M4F内核设计，外围设备丰富，具有High speed analog-to-digital converter、F
14、lexTimers、Low power timer、Periodic interrupt timer、CAN、Serial peripheral interface、Inter-integrated circuit (I2C)、UART等设备。是飞思卡尔公司专业汽车电子嵌入式MCU。ARM Cortex-M4F Core是ARM公司基于ARMv7构架的内核，精简指令集（RISC）具有DSP内核和FPU硬件浮点单元。对于复杂的控制算法具有很好的运算性能。2.2.2复位电路设计：MK60FX512VLQ15 MCU是低电平复位，因此复位电路设计如下：本系统复位电路采用简单的阻容复位电路，应用简单。
15、阻容复位可以再系统上电的时候自动复位MCU，同时在系统死机或者想要系统重新启动的时候可以按下复位按键使系统复位。具体原理如下：由于阻容串连电路中电容C46两端电压不能突变，因此在上电时，RST端会维持一段时间的低电平起到低电平复位信号的作用，随着v3.3电源通过电阻R23向电容C46充电，C46两端的电压差逐渐增大，经过一段时间后变为高电平，上电复位信号结束。当需要手动复位时按下按键S1，电容C46两端被短路放电，按键松开后RST端仍会维持一段时间的低电平起到低电平复位信号的作用，随着Vcc电源通过电阻R23向电容C46充电，C46两端的电压差逐渐增大，经过一段时间后变为高电平，手动复位信号结束。2.2.3MCU电源设计：MK60FX512VLQ15 MCU是3.3V供电，因此电源设计如下：通过稳压芯片LM2940将电源电压稳压至5V再通过LM1117将5V稳压至3.3V给MCU供电。
