自平衡小车设计报告

2012年省电子竞赛设计报告

项目名称：自平衡小车

姓名：连文金、林冰财、陈立镔

指导老师：吴进营、苏伟达、李汪彪、何志杰日期：2012年9月7日

摘要：

本组的智能小车底座采用的是网上淘宝的三轮两个电机驱动的底座,主控芯片为STC89C52,由黑白循迹采集模块对车道信息进行采集,将采集的信息传送到主控芯片,再由主控芯片发送相应的指令到电机驱动模块L298N，从而控制电机的运转模式。

关键词：

STC89C52 L298N 色标传感器E18-F10NK 自动循迹

引言：

近现代，随着电子科技的迅猛发展，人们对技术也提出了更高的要求。汽车的智能化在提高汽车的行驶安全性，操作性等方面都有巨大的优势，在一些特殊的场合下也能满足一些特殊的需要。智能小车系统涉及到自动控制，车辆工程，计算机等多个领域，是未来汽车智能化是一个不可避免的大趋势。本文设计的小车以STC89C52为控制核心，用色标传感器E18-F10NK作为检测元件实现小车的自动循迹前行。

一、系统设计

本组智能小车的硬件主要有以STC89C52 作为核心的主控器部分、自动循迹部分、电机驱动部分。

1.1方案论证及选择：

根据设计要求，可以有多种方法来实现小车的功能。我们采用模块化思想，从各个单元电路选择入手进行整体方案的论证、比较与选择。

本方案以STC89C52作为主控芯片，通过按键进行模式的选择切换，按键一选择三轮循迹，按键二进行两轮循迹。

1.1.1模式一（三轮循迹）：

模式一（按键一控制）：三轮循迹的时候，通过色标传感器和激光传感器进行实时的数据采集，反馈给主控芯片，主控芯片通过驱动L298来控制两路直流减速电机，从而保证路线的准确性。

引导线断开区域：由于小车是逆时针行走，考虑到惯性，五个传感器全部没有检测

到，就直接一定程度上的左转，正好和惯性在一定程度上进行抵消，校正电机两轮电机的线性偏差。直接从D区域走到E区域。

S型曲线：通过安装传感器，实地模拟所有经过的所有情况，来经过“S”型曲线。

加减速区域：经过第一个十字路线，设置标志位flag为1，第二个十字路线，设置标志位为2，第三个十字路线的时候，flag为3，flag为4时清零。

1.1.2模式二（两轮循迹）：

模式二（按键二控制）：两轮循迹的时候，通过色标传感器、激光传感器进行路况分析，陀螺仪与加速度传感器集成模块通过倾角改变量来进行反馈给小车，保证小车的两轮平衡行驶。

两轮循迹方案（平衡、速度、方向控制）理论分析及计算

当测量倾斜角度的传感器检测到车体产生倾斜时，控制系统根据测得的倾角产生一个相应的力矩，通过控制电机驱动两个车轮朝车身要倒下的方向运动，以保持小车自身的动态平衡。两轮自平衡小车的运动主要由驱动两个轮子转动的电机产生的转动力矩所控制。而我们在控制小车的平衡及运动时， 控制量也是轮子的转动力矩。

1.1.

2.1平衡控制：

平衡控制是通过负反馈来实现的，系统可以类比为一个倒立的单摆模型，因为车模只有两个轮子着地，车体会在轮子滚动的方向上发生倾斜。控制轮子转动，抵消其在这个维度上倾斜的趋势就可以保持车体的平衡了。

对倒立车模进行数学建模，建立速度的比例微分负反馈控制，根据基本控制理论讨论车模通过闭环控制保持稳定的条件。

车模简化为高度为L ，质量为m 的简单倒立摆，它放置在可以左右移动的车轮上。假设外力干扰引起车模产生角加速度)(t x 。沿着垂直于车模地盘方向进行受力分析。

由图推导出车模倾角与车轮运动加速度)(t a 以及外力干扰加速度)(t x 之间的运动方程[2]：

)(x )](cos[)()](sin[)(2

2t L t t a t g dt t d L +-=θθθ

（1.1.2.1 - 1）

在角度θ很小时，θθ=sin ,1cos =θ , 运动方程简化为：

)()()()

(2

2t Lx t a t g dt t d L +-=θθ （1.1.2.1 - 2）

车模静止时，0)(=t a

)()()(2

2t Lx t g dt t d L +=θθ （1.1.2.1 - 3）

对应车模静止时，系统的输入输出的传递函数为：

L g

s X s Y s H -=

=

2s 1

)()()( （1.1.2.1 - 4）

此时系统具有两个极点

L g

s p ±

= 。一个极点位于S 平面的右半开面，车模不稳定。

通过对系统的拉氏分析，知当车模静止时，此时系统的一个极点位于S 平面的右半平面，车模不稳定[3]。因此引入比例、微分反馈控制（在角度控制中，与角度成比例的控制量称为比例控制，与角速度成比例的控制量称为微分控制，其中角速度是角度的微分）之后的系统如图2-2所示，其中ωθ2211,k a k a ==。

图2-2 加入比例微分反馈控制后的系统框图

系统的传递函数为：

L g k s L k s s X s Y s H -++

==

1221

)

()

()( （1.1.2.1 - 5）

此时系统的两个极点位于：

L g k L k k s p 2)(412

22--±-=

（1.1.2.1 - 6）

系统稳定需要两个极点都位于S 平面的左半开平面，要满足这一点，需要

0,21≥≥k g k ，由此得出结论，当0,21≥≥k g k 时，直立车模可以稳定。

1.1.

2.2速度控制：

通过MPU-6050模块，测量加速度传感器获得的角度信号，与角速度传感器测得的信号进行对比，对比积分得到的角度与重力加速度得到的角度，使用他们之间的偏差改变陀螺仪的输出，从而使积分的角度逐渐跟踪到加速度传感器测得的角度。这样对于加速度传感器给定的角度，经过比例、微分、积分环节之后产生的角度θ必然等于我们要测量的车模倾斜的角度，通过调节PWM 信号从而达到对小车的直立控制。也就是利用PID 算法计算输出量，根据输出量控制PWM 。

1.1.

2.2.1电机模型化分析和简化：可以将电机转速与施加在其上的电压之间的

关系化成一个一阶惯性环节模型。施加在电机上的一个阶跃电压)(t Eu ，电机的速度方程是：

)(}1{)(1

t u e Ek t T t

m --=ω

（1.2.2 .1- 7）

式中，E 为电压；

)(t u 为单位阶跃函数；1T 为时间常数；m k 为电机转速常数。分析该

式可知，电机运动分为两个阶段，加速阶段和恒速阶段。其中，在加速阶段，电机带动车模

后轮进行加速运行，加速度近似和施加在电机上的电压成正比，加速阶段的时间长度取决于时间常数1T 。在恒速阶段，电机带动车模后轮进行恒速运行，运行速度与施加在电机上的电压成正比。由此计算所得的加速度控制量a 再乘以一个比例系数即为施加在电机上的控制电压，通过调节PWM 信号，这样就可以保证小车的自平衡循迹直立状态。

1.1.

2.3方向控制：

控制两个电机之间的转动差速实现车模转向控制，可直接通过不同电压脉冲信号进行控制。