智能小车系统设计毕业设计论文Word下载.docx
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1、体积小,便于存储,节省空间而且灵活方便。
2、功率小,使电池能长时间的供电,节省资源。
3、转弯半径极小,科技含量高。
由于两轮自平衡小车有以上各种优点所以两轮智能小车会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。
因为它既有理论研究意义又有实用价值,所以两轮自平衡小车的研究在最近十年引起了大量机器人技术实验室的广泛关注。
1.2两轮自平衡小车的研究现状
在两轮自平衡机器人的研究领域,美国、日本和瑞士等国家研究得较多,而且己经达到了一个很高的水平,国内的研究相对还比较少。
以下分别介绍国内外一些主要的两轮自平衡机器人。
1.2.1国外研究现状
在两轮自平衡小车的研究上,国外的专家和爱好者们取得了一系列的成果,以下介绍国外几个比较先进的两轮自平衡小车:
由美国科学家DavidP.Anderson[2]研发的两轮自平衡机器人Nbot基于倒立摆的小型自平衡两轮车模型,是由HCllrobotcontr0ller进行控制的。
由瑞士联邦技术学院工业电子实验室的研究人员研制的名为JOE是由DSP芯片进行控制的。
它由车架上方所附的重物模拟实际车中的驾驶者。
研究人员通过陀螺仪和光电编码器测量的数据,用线性状态反馈控制器来控制整个系统的平衡稳定。
由美国发明家DeanKamen开发的‘SEGWAYHT’两轮个人交通工具是一个更为实用、成熟以及商业化的两轮运载车的版本。
它可以承载站立在平台上的驾驶者,并在保持平衡的状态下在多种路面上进行便捷的运动,它使用了五个陀螺仪和一个收集其他角度传感器数据的集成器来保持自身的直立状态。
SEGway是源于美国的医疗器材生厂商强生公司所开发的一种自动平衡式动力轮椅—iBOT,这个设计是为了给残疾人提供服务,通过它可以实现自由上下楼梯,SEGWAY踏板位置低于两轮轴心的连线,系统有一定的自稳定性能,从而使控制的难度有所下降。
其运动特性类似荡秋千,总是自然的向铅直的平衡位置回归。
2004年,Homebrew机器人俱乐部的TedLarson和BobAllen制作了两轮自平衡机器人Bender,并在机器人上安装了一个摄像头使它也成为一款自主移动机器人。
它由三层板构成,支架做得很高,使重心竖直靠上。
但其平衡表现很出色,获得了第一届年度Robolymipics'
'
BestofShow'
类金。
1.2.2国内的研究现状
我国在两轮自平衡小车的研究方面也做出了很大的贡献,同时也取得了很大的成就。
1)西安电子科技大学研究出了自平衡两轮机器人,它是一种两轮式左右并布置结构的自平衡系统。
它利用伺服放大器ADS作为控制器,选择两个Maxson电机作为执行元件,采用自适应神经模糊控制器对小车这一非线性对象进行大范围控制,从而实现系统的自平衡。
2)哈尔滨工业大学也有类似的双轮直立自平衡机器人,该系统采用DSP作为控制核心。
车体倾斜角度检测采用加速度传感器和陀螺仪。
利用PWM技术动态控制两台直流电机的转速。
基于这些完备而可靠的硬件设计,使用了一套独特的软件算法,实现了该系统的平衡控制。
3)佛山市顺德区合动智能装备有限公司已经自主研发出单轮、两轮自平衡车,包含采用TIDSP的高性能自平衡小车直流无刷电机驱动器和自平衡小车控制器。
4)2004年,河南科技大学研制的平衡双轮电动机样机,其控制器是C8051F020单片机,选取陀螺仪和倾角传感器检测转动角速率和倾角,通过控制算法得到的电压信号经D/A然后驱动电机。
5)2005年,北京邮电大学制作了自平衡双轮移动机器人,车体重心是在机轴线下方,其机械结构是轮子上装有球形外壳,开始用遥控器控制运动车体会摆动。
在控制系统升级后,用陀螺仪来检测小车姿态,经过控制算法来实现小车的自平衡。
1.2.3国内外研究分析总结
通过上边对国内外对两轮自平衡小车研究的表述可知,一般两轮自平衡小车研究基础大多是倒立摆模型,而且研究最多的是有质心的小车,通过质心可以更好的控制小车的直立。
一般都是通过加速度传感器,陀螺仪,加速度计等测量,通过把这些数据再次融合来得到小车的姿态。
同时还要有更精密的算法来保障系统有良好的性能。
当前对两轮自平衡机器人的控制方法大致可分为:
经典控制方法、现代控制方法、智能控制方法。
而本文主要是通过PID算法来控制小车。
第二章总体方案设计
赛车的性能主要由机械结构、硬件和软件三大部分决定,机械结构是自平衡小车能够运动的基础,软件和硬件是小车能够实现功能的重要部分。
所以本自能小车从机械结构、硬件、软件三个方面来设计。
系统整体方案设计流程图
系统整体以MC9S12XS128MAA单片机为中心,结合电源模块、电机驱动模块、倾角检测模块、速度检测模块、路径检测模块等组合而成。
要求小车能够直立的行走。
电源模块由固定的7.2V电源利用LM2940低压差线性稳压芯器件产生5V电源,利用ASM1117低压差调节器产生3.3V电源。
7、2V、5V、3.3V电源为整个系统的供电电源。
电机速度可以用电机速度传感器中的光电编码器输出的数字脉冲信号经过8位的脉冲计算器得到然后运用PID算法得到速度控制的输出量从而实现小车的速度控制;
电机的倾角可以根据倾角检测模块中的加速度传感器和陀螺仪得到车模的倾角和角加速度值再使用PID算法得到小车的倾斜角和角速度从而实现小车的直立控制,为了得到更加精确的角度信息需要对角度差进行卡尔曼滤波,避免波动噪声的影响;
运用PID算法可以使曝光时间随着光线的不同而自适应的改变,曝光采用中断的形式进行。
智能车的方向控制、速度控制、倾角控制归根到底都是对小车电机速度的控制,通过调整电机的转速来实现小车的直立和运动。
本系统还要求小车能够沿着固定的路线运动,这就要求小车具有检测路径的功能,利用CCD输出的电压采用二值化提取黑线。
本系统还可以利用拨码盘将开关变量直接接入单片机从而调节小车的速度,能够更好更方便的控制小车。
2.1机械方面的总体设计
智能车的机械调整作为最基础的部分,车模的机械调整主要分为:
线性CCD的安装;
编码器的安装;
电路板的固定;
陀螺仪和加速度计的安装;
电池的安装。
2.2硬件方面的总体设计
(1)主控使用112引脚的MC9S12XS128芯片,因为其引脚IO多,可以控制的外围较多的外围设备;
(2)整个系统由7.2V、3、3V、5V三种直流电供电。
其中7.2V电源是由直接提供的可充电电池供电,5v、3.3V是通过7.2V电池来实现的。
(3)电机驱动模块由4片BTS7970两两组成了一个H桥,行成两个驱动桥,驱动左右电机。
(4)倾角检测模块由加速度传感器和陀螺仪等组成。
(5)速度检测模块由电机传感器欧姆龙编码器实现。
(6)陆经检测模块通过线性CCD采集信号经放大电路后检测路径的状况。
(7)无线检测模块由Nrf24L01无线模块和PT2272模块构成,为了了解车模的运行状况,在调试阶段使用来保护小车。
2.3软件方面的总体设计
(1)对各个模块进行初始化;
(2)将整个程序分为每5ms为一个周期循环执行,其中5ms中分为每1ms中执
行不同的任务;
(3)在一个周期中的1ms为对编码器的脉冲进行计数以及对陀螺仪和加速度计的模拟量进行采集;
(4)在一个周期中的2ms为对采集的角度进行融合并进行直立控制;
(5)在一个周期中的3ms为对速度进行闭环控制;
(6)在一个周期中的4ms为采集CCD128个像素点的数值;
(7)在一个周期中的5ms为对车模的方向进行控制。
第三章系统硬件设计
3.1单片机的最小系统
单片机的最小系统是整个系统的核心。
单片机112引脚的MC9S12XS128MAA,本单片机处理的速度较快,能够很好地完成系统各个模块的运算。
故单片机的最小系统版使用MC9S12XS128MAA做核心。
3.1.1MC9S12XS128性能概述
MC9S12XS128是16位单片机,由16位中央处理单元(CPU12X)、128KB程序Flash(P-lash)、8KBRAM、8KB数据Flash(D-lash)组成片内存储器。
主要功能模块包括:
内部存储器、内部PLL锁相环模块、2个异步串口通讯、SCI1个串行外设接口、SPI和MSCAN模块。
1个8通道输入/输出比较定时器模块TIM周期中断定时器模块PIT16通道A/D转换模块ADC1个8通道脉冲宽度调制模块、PWM输入/输出数字I/O口。
3.1.2输入/输出数字I/O口
MC9S12XS系列具有丰富的输入/输出端口资源,同时集成了多种功能模块,端口包括PORTA、PORTB、PORTE、PORTK、PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH、PORTJ和PORTAD共11个端口。
端口引脚大多为复用口,往往具有多重功能,所有端口都具有通用I/O口功能。
PORTA、PORTB、PORTK为通用I/O口、PORTE中的IRO和XIRQ引脚可作为外部中断输入、PORTT集成了TIM模块功能、PORTS集成了SCI和SPI模块功能、PORTM集成了CAN总线模块、PORTP集成了PWM模块功能、PORTH、PORTJ可作为外部中断输入口、PORTAD集成了ATD模块功能。
在MC9S12XS128单片机中有些特殊功能可定义为多个引脚,如PWM、SCI1模块。
对于这些具有相同功能的引脚定义,由端口T路径寄存器PTTRR和模块路径寄存器MODDR确定。
3.1.3输入输出端口功能和配置
通用I/O通过配置相应寄存器位,可以设置为输入/输出端口、驱动能力、内置上拉/下拉电阻使用、中断输入方式等多种功能。
1.PORTA为通用I/O口,共8个,作为通用数字I/O口使用,未集成特殊功能.主要配置寄存器有:
数据寄存器PORTA、数据方向寄存DDRA、上拉电阻控制寄存器PUCR和驱动控制寄存器RDR。
2.PORTB为通用数字I/O口,共8个。
其使用与PORTA基本一样。
主要配置寄存器有:
数据寄存器PORTB、数据方向寄存DDRB。
上拉电阻控制寄存器PUCR和驱动控制寄存器RDR与PORTA、PORTB、PORTE、PORTK共用。
3.PORTE可作为通用数字I/O口使用,80封装也有共8个引脚。
其使用与PORTA基本一样。
但是PORTE中集成了外部中断输入功能,其PE0/XIRQ和PE1/IRO引脚可作为外部中断输入。
并且这两位只能作为输入口使用。
数据寄存器PORTE、数据方向寄存DDRE。
4.PORTK为通用数字I/O口。
但从前表可以看出112封装单片机PORTK口有7个,80封装和64封装没有PORTK口。
数据寄存器PORTK、数据方向寄存DDRK。
5.PORTH:
PORTH可作为通用数字I/O口使用,也集成了外部中断输入功能。
但80封装没有PORTH口,在此不作详细描述。
6.PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH、PORTJ:
此6个端口的寄存器名称和功能基本上是一样的。
数据寄存器PTx、输入寄存器PTIx、数据方向寄存DDRx、驱动控制寄存器RDRx、上拉/下拉使能寄存器PERx和上拉/下拉选择寄存器PPSx共6个寄存器。
因PORTP、PORTH、PORTJ三个端口具有外部中断功能,增加了中断使能寄存器PIEx和中断标志寄存器PIFx两个寄存器。
3.1.4电源相关引脚
MC9S12XS128单片机的电源引脚汇总参见下表
引脚名称
额定电压
描述
VDDR
5.0
外部电源,为内部调压器供电
VSSR
VDDX1、VDDX2
外部电源和地,为I/O口供电
VSSX2、VSSX1
/
VDDA
VDDA5.0A/D转换器工作电源和地,为内部电压调节器提供参考电源,允许单独为A/D提供工作电压
VSSA
VRH
A/D转换器参考电源和地
VRL
VDD
1.8
内部电源和地,由内部调节器为内核供电
VSS1、VSS2、VSS3
VDDF
2.8
内部电源和地,由内部调节器为内部NVM供电
VDDPLL
为锁相环(PLL)提供工作电源和地,由内部电压调节器产生。
允许单独为PLL提供工作电压
VSSPLL
3.2电源模块
要求智能车只能使用7.2V20000mAhNi-Cd电池供电,而整个系统中电源还需要为其他模块供电,而其他模块所需要的电压不全是7.2V电压,所以需要对7.2V固定的电池电源进行处理得到为其他模块供电的电压。
而且整个系统中电能的质量对于整个系统的稳定性以及整体功能的实现非常重要,因此电源模块的构建非常重要。
本系统各个模块所需要的供电电压为7.2V、5V、3.3V。
3.2.15V电源的实现
5V电源实现需要稳压芯片,一般情况下经常采用三端稳压芯片。
对电源的质量要求不太高的场合经常使用LM7805,用LM7805稳压芯片产生5V电压,优点是电路简单,电压输出纹波小,电压的质量较高但是其缺点是功耗大、效率低。
对于驱动电机的电路不太实用。
单片机自身的功耗小、但是对电源的要求高,经过对比使用LM2940低压差线性稳压芯片,LM2940输出电流为1A而且输出电压的纹波较小、输出功率大。
稳压5V电路原理图
系统中还需要有3.3V的电源,所以需要利用已有的电压生成。
+3.3V电源需要用LM1117芯片实现。
LM1117是一个低压差电压调节器系列。
其压差在1.2V输出负载电流为800mA时为1.2V。
它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。
LM1117有可调电压的版本。
通过2个外部电阻可实现1.25~13.8V输出电压范围。
另外还有5个固定电压输出1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V的型号。
LM1117提供电流限制和热保护。
电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在±
1%以内。
具体电源模块原理图如图所示:
稳压3.3V电路原理图
3.3电机驱动模块
电机的驱动可以使用专用的电机驱动芯片、达林顿管驱动、场效应管驱动。
方案一:
单独使用一片33886
驱动能力强,有过流保护功能,状态监测功能,通过PWM调节可实现正反转。
电机驱动芯片MC33886,内部具有过流保护电路,刹车效应好,接口简单易用,虽然能够提供比较大的驱动电流,但对于小车骤然加速时所需的电流还是不够的,发热量也比较大。
优点:
应用电路简单,实现方便。
缺点:
芯片驱动电流小,内阻大,可能存在发热严重的问题,不好加散热片。
方案二:
采用两片或者四片MC33886并联
几片并联的,但芯片很热,不好加散热片,但归根结蒂还是芯片驱动电流小,内阻大所致。
。
也可以采用两片MC33886并联,但容易出现一个发烫另一个不发烫的情况。
可以增大驱动能力,减少单片机发热量。
存在均流不佳的问题,有碍提高整个装置的输出,甚至造成器件和装置的损害。
方案三:
33886+场效应管驱动
采用MC33886或其他驱动芯片与场效应管设计驱动。
驱动电流理论上能达到74A,解决了33886的散热问题,充分发挥33886的性能,场效应管也不用加散热片,使小车发挥更好的加速性能。
电路复杂。
方案四:
H桥驱动
半桥集成芯片BTS7960可以达到63A的电流,而且内阻较小,效率非常高,其中逻辑电路已经集成其中,使得驱动控制十分简单。
根据以上各个方案我们选择方案四作为电机的驱动方案。
BTS7970应用非常简单,只需要向芯片第2引脚输入PWM波就能控制。
当系统中只需要单向控制时,只需要让电机一端接地,另一端接BTS7970第4引脚它是一款针对电机驱动应用的完全集成的大电流半桥芯片。
它是NovalithICTM系列的成员之一,它的一个封装中集成了一个P通道场效应管在上桥臂和一个N通道场效应管在下桥臂以及一个控制集成电路,P型管在栅极为低电平时导通,N型管在栅极为高电平时导通。
由于集成在内驱动集成电路具有逻辑电平输入,与微控制器的连接变得非常简单,且该驱动集成电路还具有电流检测诊断、转换率调整、死区时间生成以及过热、过压、欠压、过流和短路保护。
BTS7970在较小的电路板空间占用的情况下为大电流保护的PWM电机驱动提供了一种成本优化的解决方案。
如果需要电机双向旋转控制,则需要另一片BTS7970共同组成全桥。
为了能获得更大的输出电流,该驱动模块使用4片BTS7970组成了一个全桥。
本小车车模是双电机结构,因此我们用的驱动板共用4片BTS7970,两两组成了一个H桥,共两个驱动桥,分别驱动左右电机。
此芯片开关频率可以达到25kHZ,可以很好地解决电机噪声大和发热的问题、同时驱动能力有了明显的提高,相应速度快。
但是,电机变速时会使电源电压下降10%左右,控制器等其他电路容易产生掉电危险,从而使整个电路系统瘫痪。
为了避免意外的发生在驱动芯片与单片机系统之间增加了隔离保护芯片74LS244。
74LS244是单向三态数据缓冲器集成8路三态门,主要用于三态输出,作为地址驱动器、时钟驱动器、总线驱动器和定时发送器。
高电平输出电流-15mA低电平输出电流24mA。
每组有一个控制端G由控制端的高或低电平决定该组数据被接通还是断开。
BTS7970典型应用电路
桥臂上的4个场效应管相当于四个开关,P型管在栅极为低电平时导通,高电平时关闭;
N型管在栅极为高电平时导通,低电平时关闭。
场效应管是电压控制型元件,栅极通过的电流几乎为“零“。
控制臂1置高电平(U=VCC)、控制臂2置低电平(U=0)时,Q1、Q4关闭,Q2、Q3导通,电机左端低电平,右端高电平,所以电流沿箭头方向流动。
设为电机正转,其图见图1。
控制臂1置低电平、控制臂2置高电平时,Q2、Q3关闭,Q1、Q4导通,电机左端高电平,右端低电平,所以电流沿箭头方向流动。
设为电机反转,其图见图2.
3.4倾角检测模块
倾角检测模块由倾角传感器组成。
其中倾角传感器由速度传感器和陀螺仪组成。
3.4.1加速度传感器
加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。
加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力,就好比地球引力,也就是重力。
加速力可以是个常量,比如g,也可以是变量。
本系统加速度传感器。
该系列的传感器采用了半导体表面微机械加工和集成电路技术,传感器体积小重量轻。
加速度角度传感器是通过测量由于重力引起的加速度计算出器件相对于某一平面的倾
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