淺論小型兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)系統的設計與研究論文
小型兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)控制方案，是使用姿態(tài)檢測傳感器來(lái)檢測小車(chē)姿態(tài)的變化，運用合適的運動(dòng)控制原理，驅動(dòng)電機進(jìn)行相應的調整，以保持小車(chē)平衡、但在實(shí)際設計中，加速度計檢測出來(lái)的數據易受小車(chē)運動(dòng)速度影響，陀螺儀檢測出來(lái)的數據易受溫度影響，因此需要采用濾波器對其進(jìn)行濾波、通過(guò)對卡爾曼濾波器與互補濾波器這兩種不同的濾波器進(jìn)行比較，在基于飛思卡爾公司Kinetis K60的小型兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)姿態(tài)穩定系統上加以驗證，從而得出在實(shí)際設計中卡爾曼濾波器優(yōu)于互補濾波器。
1控制系統分析與設計
1.1系統分析
小型兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)系統主要由姿態(tài)傳感器,CMOS攝像頭傳感器、矢量光電編碼器,Kinetis K60單片機、直流減速電淚L及其驅動(dòng)電路組成。陀螺儀與加速度計的數據經(jīng)過(guò)AD轉換后傳至控制器中，通過(guò)濾波器進(jìn)行濾波后，獲得較為精確的角速度和角加速度數據，從而計算得到角度偏差;攝像頭采集道路信息，進(jìn)行路徑識別，使小車(chē)沿一定路徑J決速運行光電編碼器采集車(chē)輪速度，通過(guò)負反饋控制小車(chē)速度，三者數據融合后，再通過(guò)PID算法輸出控制量，生成PWM從而控制電機運行。
1.2矢量編碼器
小車(chē)進(jìn)行角度姿態(tài)控制時(shí)會(huì )產(chǎn)生兩個(gè)自由度上的偏移，除用測量角度的加速度計和陀螺儀外，還需要增加測量?jì)奢嗆?chē)位移的傳感器，這里選用可以測量正負位移的歐姆龍500線(xiàn)矢量編碼器(A日相光電編碼器)。
2角度濾波算法分析
從加速度計采集到的角度信息存在高頻干擾，輸出電壓，矢量編碼器控制電路會(huì )在實(shí)際反映傾角的電壓值附近波動(dòng)、要從陀螺儀獲得角度信息，需要經(jīng)過(guò)積分運算，而從單片機采集的角速度信息存在誤差和溫度偏移、這個(gè)誤差會(huì )隨時(shí)間延長(cháng)而積累，最終導致輸出信號偏離真實(shí)角度信號、因此，下面介紹兩種濾波法，對兩種傳感器所獲得信息進(jìn)行校正。
2.1互補濾波器
通過(guò)加速度計和陀螺儀積分獲得的`兩種與角度相關(guān)的信息，利用加速度計修正陀螺儀的積分輸出，利用陀螺儀修正加速度計的高頻干擾。從而使陀螺儀積分所得到的角度逐步跟蹤到加速度計所得到的角度。
對陀螺儀采集到的信息進(jìn)行積分獲得動(dòng)態(tài)角度，對加速度計采集到的信息進(jìn)行計算獲得靜態(tài)角度，陀螺儀積分在短時(shí)間內可以較好地反映角度變化的情況，卻很難保證角度的精確性，而加速度計測量值可以較為真實(shí)地反映小車(chē)的物理角度信息，卻存在高頻干擾、利用動(dòng)態(tài)角度和靜態(tài)角度得到角度偏差，通過(guò)調節誤差積分時(shí)間把角度偏差補償到動(dòng)態(tài)角度中，可以在保證動(dòng)態(tài)性能的前提下獲得較準確的角度值。
2.2卡爾曼濾波器
卡爾曼濾波用于數據融合時(shí)，可將姿態(tài)角和陀螺儀偏移量描述成由狀態(tài)方程和測量方程組成的二維系統。
2.3仿真結果
為了比較互補濾波器和卡爾曼濾波器對于陀螺儀的角度信息校正的有效性，將該算法利用MAL下LA日仿真，使其跟蹤同一呈正弦變化的仿真角度信息。
3軟件設計
小車(chē)的直立控制、速度控制以及方向控制都是在中斷程序中完成。利用單片機的一個(gè)周期定時(shí)器產(chǎn)生1ms周期中斷，中斷程序的任務(wù)被分配在五個(gè)中斷片段中、)因此每個(gè)中斷片段中的任務(wù)執行周期為5ms，將任務(wù)分配到不同的中斷片段中，一方面防i1=這些任務(wù)累積執行時(shí)間超過(guò)1ms，擾亂中斷時(shí)序，另一方面也考慮到這些任務(wù)之間的時(shí)間先后順序。
由軟件設計框圖及程序可得，進(jìn)入第一個(gè)時(shí)間片時(shí)，脈沖計數器采集編碼器計數車(chē)輪轉數的信息，從而得到車(chē)體速度;進(jìn)入第二個(gè)時(shí)間片時(shí)，采集陀螺儀與加速度計傳感器數據，由于采用模數轉換器采集數據，需要時(shí)間較長(cháng)，因此將車(chē)體的直立控制函數放在下一個(gè)時(shí)間片中，進(jìn)入第三個(gè)時(shí)間片時(shí)，計算直立控制的輸出量，并將直立控制、速度控制和方向控制的輸出量疊加成電機輸出量;進(jìn)入第四個(gè)時(shí)間片時(shí)，計算速度控制的輸出量;進(jìn)入最后一個(gè)時(shí)間片時(shí)，計算方向控制的輸出量。
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