大学生创新创业训练计划项目中期进展报告

大学生创新创业训练计划项目中期进展报告
（3000字，小四宋体）
项目成员：高超、孙健、虎强、陈伟、张波
指导教师：钱炜
摘要：
这份报告将简要介绍一下我们的独轮平衡车的自2014年3月开展到2014年10月期间的进展情况和我们做的工作。

一、项目成果简介：
1、为了验证在做实体之前对传感器的使用和芯片编程等有充足的把
握，我们已经完成了一个车体模型的测试工作。

2、为了直观的了解车体的结构和便于让团队个成员加入自己的创
意，我们初步设计了车体的机械结构，并用Solidworks建模。

二、项目进展：
项目目前进度：
我们最初的项目计划中的写的是总共分五步走，现在才刚刚10月下旬，我们已经完成了前面三步，其中包括3月-5月完成主控芯片程序设计；6月-7月电路设计；7月-8月搭建车车模对电路，程序进行测试；可以说比我们当年预期的进度提前了。

已经取得成果：
成果主要有两方面：
一是车体模型测试，我们主控芯片是采用飞思卡尔的k60系列芯片，JTAG下载器，角度传感器，直流电机，2600mah的锂电池，L7805稳压芯片，BTN7971B电机驱动。

测试说明程序和电路的可行性，初步验证了理想的方案的可行性。

具体设计方案如下：1、车模的平衡控制原理：当车体垂直时，车轮保持静止，车体向左倾斜时，车轮向左加速运行，车体向右倾斜时，车轮向右加速运行。

直立的车模可以看成是放置在可以左右移动平台上的倒立摆的单摆。

普通单摆能够稳定在垂直位
置的条件有两个：（1）受到与位移（角度）相反的恢复力；（2）受到与运动速度
（角速度）相反的阻尼力。

如果没有阻尼力，单摆会在垂直位置左右摆动。

阻尼力会使单摆最终停止在垂直位置。

阻尼力过小（欠阻尼）会使单摆在平衡位置附近来回震荡。

阻尼力过大（过阻尼）会使单摆达到平衡位置的时间加长。

因而存在一个临界阻尼系数，是得单摆稳定在平衡位置的时间最短。

倒立摆之所以不能像单摆一样稳定在垂直位置，就是因为它在偏离平衡位置的时候，所受到的恢复力与位移的方向相同，而不是相反，因此，倒立摆会加速偏离垂直位置，直至倒下。

为了通过控制使得倒立摆能够像单摆一样稳定在垂直位置，需要增加额外的受力，使得恢复力与位移方向相反才行。

该力与车轮的加速度的方向相反，大小成正比。

为了是倒立摆尽快在垂直位置稳定下来，还需要增加阻尼力，增加的阻尼力与偏角的速度成正比，方向相反。

综上可以得到车轮控制速度的算法为：a = k1θ+k2 θ’;式中θ为车模倾角，θ’为角速度，k1，k2均为比例系数。

K1决定了车模是否能够稳定在垂直位置，它必须大于中立加速度，k2决定了车模回到垂直位置的阻尼系数，选取合适的阻尼系数可以让车模尽快稳定在垂直位置。

车模的加速度是通过控制车轮速度实现的，车轮通过车模因此两个可以通过电机加速度的控制实现车模平衡稳定。

电机的运动控制是通过改变施加在其上的驱动电压大小实现的。

电机的运动分为两个阶段，第一个是加速阶段，第二个是恒速阶段。

在加速阶段，电机带动车模进行加速运动，加速度和施加在电机上的电压成正比。

在恒速阶段，电机带动车模后轮进行恒速运动，运行速度与施加在电机上的电压成正比。

调整车模角度的控制周期很短，时间一般是几个毫秒，此时电机基本运动在家阶段，计算得到加速度控制量a在乘上比例系数即为施加在电机上的控制电压，这样便可以控制车模保持直立状态。

加速度传感器MMA761可以测量由地球引力作用或者物体运动产生的加速度，只需测量其中一个方向上的加速度值，皆可以计算出车模的倾角，比如使用z轴方向上的加速度信号。

车模直立时，固定在加速
度在z轴水平方向，此时输出信号为0片区内压信号。

当车模发生倾斜=时，重力加速度g便会在z轴方向上新城加速度分量，从而引起该轴输出电压的变化。

但是在实际车模运动中，由于车模本身的摆动所产生的加速度会产生很大的干扰信号，它叠加在测量信号汇总使得输出信号无法准确反映车模的倾角。

加速度传感器安装的高度越低越好，但是无法彻底消除车模运送的影响。

角速度传感器利用旋转坐标系中的物体会受到科里奥利力的原理可以用来测量物体的旋转角速度，通过积分便可以得到车模的倾角。

由于陀螺仪输出的是车模的角速度，不会收银岛车体运动的影响，因此该信号中噪声很小。

车模的角度又是通过对角速度积分而得，这可进一步平滑信号，从而使得角度信号更加稳定。

因此车模控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺仪所得到的信号。

但是由于从陀螺仪角速度获得角度信息，需要经过积分运算。

如果角速度信号存在微小的偏差和漂移，经过积分运算之后，变化形成积累误差。

这个误差会随着时间延长逐步增加，最终导致电路饱和，无法形成正确的角度信号。

一种简单的方法就是通过上面的加速度传感器获得的角度信息对此进行校正。

通过对比积分所得到的角度与重力加速度所得到的角度，使用它们之间的偏差改变陀螺仪的输出，从而积分的角度足部跟踪到加速度传感器所得到的角度。

二是实体车体的Solidworks模型，这个参考了市场上已有车型的结构和自己的创意，这只是机械机构的初步模型，是为了让组员能够方便的交流自己的想法和加入自己的创意。

车轮采用普通的电动车的后轮，电机与车轮一体，减少的空间；车座的支撑杆垂直地面，下端连接着可以折叠的脚踏板，上面是可以根据使用者身高自由调节的车座；把手的连杆下端与车座的支撑杆下端同轴相连，两个支撑杆之间通过两个绞和连杆连接，因此把手可以绕车轴自由旋转。

当不使用车时，把手可以向车座旋转，便于放置和搬运，使用车时，可以方便将把手放下。

存在的问题：
现在存在的问题是：程序方面，程序还需要进一步优化，采用更好的算法。

这体现在车体模型虽然能够正常通过两个轮子站立起来，但是
车体抖动得非常的厉害，还有抗干扰性的能力非常弱，一旦有较大的干
扰时，车体便会倒下；传感器方面：传感器的性能不是很好，可能需要
更换传感器，选取性能更佳的传感器。

电路方面：稳压元件的发热过度，
还需要优化电路。

后期计划：
后期我打算做一个独轮模型，先前的是两轮模型，主要为了测试我们对传感器的掌握情况，独轮模型将更加接近最后的实体结果，电路和
传感器各方面的配合也会更加实体车的结果，所以这个还有利于我们根
据模型车的状况对实体模型的做进一步的细节设计，这个我估计需要两
个月来完成，因为技术难度比较大。

这项工作完成后我们就可以大约在
11月份下旬正式开始做车的实体模型。

（包括：项目目前进度、已经取得成果、预期完成情况、存在的问题、后期计划等。

）
三、主要参考文献（5个以内）
《机械设计基础》
王新华主编-化学工业出版社
《嵌入式原理与实践-ARM Coretex-M4 Kinetis 微控制器》
王宜怀，吴瑾，蒋银珍编著-电子工业出版社
《电子设计从零开始》（第二版）
杨欣，莱·诺克斯，王玉凤，刘湘黔编著–清华大学出版社《TRIZ理论及应用》
刘训涛，曹贺，陈国晶编著-北京大学出版社
《第七届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛电磁组直立行车参考设计方案》（版本2.0）飞思卡尔竞赛秘书处
四、成果相关图片
项目测试实体模型：1.0版本
2.0版本
独轮平衡车实体的Solidworks初步模型：。