直立式双轮自平衡运动小车

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1、长春工业大学电子设计大赛题目：直立式双轮自平衡运动小车（C）编号：日期：摘要车模直立行走比赛是要求仿照两轮自平衡电动车的行进模式，让车模以两个后轮驱动进行直立行走。近年来，两轮自平衡电动车以其行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。国内外有很多这方面的研究，也有相应的产品。在电磁组比赛中，利用了原来C型车模双后轮驱动的特点，实现两轮自平衡行走。相对于传统的四轮行走的车模竞赛模式，车模直立行走在车体检测、控制算法等方面提出了更高的要求。本设计采用ATMEL公司推出的MEGA16单片机作为“双轮直立自平衡小车”的微控制器，用以处理任意时刻传

2、感器的数据；通过软件滤波和自动控制理论算法使得小车能够在任意时刻进行自我调整以达到平衡状态。该系统的传感器采用角度传SCA61T，和陀螺仪采集小车车身的水平状态值和小车的加速度值。并且采用了LM298双桥大功率集成驱动芯片来驱动电机，无线遥控来控制小车的数据传输。依靠这些设备和可靠的硬件设计，我们使用了一套PID闭环控制算法和比较稳定的卡尔曼滤波算法，使得整个硬件结构和软件系统能顺利匹配。从而使得我们的小车能保持直立自平衡状态。模糊PID控制具有良好控制效果的关键是要有一个完善的控制规则。但由于模糊规则是人们对过程或对象模糊信息的归纳，对高

3、阶、非线性、大时滞、时变参数以及随机干扰严重的复杂控制过程，人们的认识往往比较贫乏或难以总结完整的经验，这就使得单纯的模糊控制在某些情况下很粗糙，难以适应不同的运行状态，影响了控制效果。常规模糊控制的两个主要问题在于：改进稳态控制精度和提高智能水平与适应能力。在实际应用中，往往是将模糊控制或模糊推理的思想，与其它相对成熟的控制理论或方法结合起来，发挥各自的长处，从而获得理想的控制效果。关键字：自平衡小车ATMEGA16单片机直立行走模糊PIDI一、总体设计方案1.1设计思路：题目要求设计并制作一个单轴两轮自平衡小车。对于小车能保持平衡，直立

4、行走。系统应该设置有测量倾角和加速度的模块。可以采用角速度传感器和陀螺仪测量出小车的倾角和加速度，并把数据传送给单片机处理。经过单片机处理数据和进行相应的补偿后，通过控制电机从而使小车保持在平衡状态。系统硬件结构如图1图1系统硬件结构图1.2方案论证与比较1.2.1微控制器选型方案一：采用目前市场比较主流性能稳定价格低廉的AT8952单片机，AT8952单片机内部资源8K字节在系统可编程Flash存储器、全静态操作：0Hz～33MHz、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、

5、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、和一路可编程的PWM输出。我们的系统一共用到两路独立的PWM输出，AT89S52只有一路硬件PWM这样我们必须考虑用软件或硬件再产产生一路可调的PWM才能满足我们系统的两个轮子调速的需求。考虑到系统整体的程序构思是一个很耗费CPU运行时间，所以我们排除了软件中断的方式在产生一路PWM，节省了CPU的程序运行时间的开销。值得我们考虑的只能用其他电机控制芯片+AT8952来控制我们的两个电机，后来我们考虑了NEC-SSOP30这个电机控制芯片来产生两路PWM，该芯片是一颗强大的直流电机和步进电机的控制

6、芯片，里面有三路可编程的直流电机PWM输出通道和三路步进电机控制通道，和单片机通信接口，有SPI总线接口和USAP串口通信，但是考虑到NEC–SSOP30芯片的指令周期是1.4MS，不能实时性的更新系统的PWM这样就会造成整个系统的不稳定。最重要的一点还有考虑到该系统是程序里面运行的是一些比较复杂的浮点数运算，对微控制器的内核得必须既有可靠稳定快速处理浮点数运算的性能，519内核是以冯诺依曼总线结构对数据的处理和传输，因为我们都知道该结构使不能同时进取指令和举行指令的，最终取得指令周期加长，程序的实时性不能体现。还要51内核的浮点数运算能力

7、也不理想。方案二：采用微芯公司的PIC18F4520微控制器作为核心控制单元，PIC18F4520是PIC家族里的一款比较高性能的单片机，内部有三个可编程中断，4个输入电平变化中断，2个捕获/比较/PWM/(ECCP)模块，有两通道PWM等。PIC系列单片机内部采用精简指令集大大提高程序执行效率，内部采用哈弗总线结构，同时可以取指令和执行指令，大大提高程序的运行速度，PIC18F4520内部不仅有一个8MHZ的始终振荡器，可以给系统能够提供内部时钟，还有一个PLL倍频电路，可以给用户扩大系统频率，从而使得程序的实时性加强。PIC系列单片机是

8、一个性能分类比较讲究的单片机家族，对于PIC18F4520这款单片机的浮点数处理能力不是很理想，考虑到PIC专门用做浮点数运算的16位单片机选型，但是价格非常的昂贵方案三：采用因