基于kinetis k60的智能平衡车控制系统设计

《基于kinetis k60的智能平衡车控制系统设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、基于KinetisK60的智能平衡车控制系统设计　　摘要文章旨在设计并实现基于飞思卡尔KinetisK6032位微控制器的一种可以实现电磁导航的智能平衡车控制系统。详细分析了系统动力学模型，介绍了各硬件模块及其软件控制算法。最后通过系统综合测试，车模在自平衡的姿态下能够快速、平稳地通过各种路径。　　【关键词】飞思卡尔智能车电磁导航自平衡　　双轮直立行驶电磁平衡车作为导航车的一种形式，是由动力学理论、自动控制理论与实际研究相结合的一种先进技术，不仅能够在自动循迹仓储物流、执勤巡逻、基地训练等方面作为短距离代步工具，而且可以在医疗紧急救援、穿越狭窄道路抢险以及

2、军事侦查与运输供给等方面进行应用。在教育部承办的大学生智能车竞赛的背景下，本文的智能平衡车控制系统能够实现在宽度为45CM，中间铺设引导线即一根通有20KHz交流电铜线的赛道上，以两轮自平衡的姿态自动识别路径、控制车体行进速度和方向。　　1智能平衡车整体控制策略　　控制系统总共包括5大模块：电源管理模块、姿态传感模块、测速传感模块、路径识别模块和电机驱动模块。　　如图1所示，单片机通过采集陀螺仪和加速度计的输出信号，经过软件互补滤波后获得智能车的当前姿态，计算得到角度偏差。通过AD采集电磁传感模块的模拟量输出信号，计算得到位置偏差。通过正交解码获取测速传感

3、模块的两轮速度信号，计算得到速度偏差。最终进行各闭环的PID调节并融合电机PWM输出。同时为了实时对智能车进行监控，系统引入了蓝牙模块，在车模实际运行中持续发送数据，通过上位机显示，获取车模的实时姿态方便参数调试。　　2智能平衡车模型建立　　通过分析平衡车的动力学特征，可以获得系统在平衡瞬间的力学方程，平衡车主体部分由中间类似倒立摆的车体和两侧的车轮构成，依靠电机施加在左右轮轴上的力矩维持平衡。对车体进行简化得到如图2所示的模型。　　假设平衡车为一刚体，左右两轮对称分布，并且不考虑车轮与地面的打滑情况，对左轮进行受力分析得平衡方程：　　其中，ml：左轮质量

4、（kg）；xL：左轮相对地面的位移（m）；fL：地面提供左轮的摩擦力（N）；HL：车身作用于左轮的水平作用力（N）；JL：左轮转动惯量（kgm2）；uL：左轮旋转角度（rad）；CL：左轮转矩（N?m）；R：轮子半径（m）。　　类似左轮，得右轮平衡方程：　　假设：ml=mr=m1，JL=JR=J1　　对车体在YoZ平面上摆动瞬间进行受力分析，得水平方向平衡方程：　　其中，m0：车体质量（kg）；xx：车体水平方向位移（m）；x0：车轮平均位移（m）；H：车体重心与车轮轴心距离（m）；θ：车体垂直方向偏转角度（rad）。　　垂直方向平衡方程　　其中，xz：车

5、体垂直方向位移（m）；VL：车体作用于左轮的垂直作用力（N）；VR：车体作用于右轮的垂直作用力（N）。　　其中，J0：车体（倒立摆）转动惯量（kgm2）。　　对车模在XoY平面转动时进行分析，得平衡方程：　　其中，J2：整个车身转动惯量（kgm2）；ω：车体水平方向偏转角度（rad）；L：两个车轮轴心间距离（m）。　　当θ角度很小时，令sinθ=θ，cosθ=1，并忽略高次项，最终得到系统数学模型：　　3智能平衡车硬件电路设计　　3.1电源管理模块　　系统的电力来源于一块7.2V、2A/h的镍镉电池，为了在保证整个系统稳定运行的基础上尽可能地减小电源模块之

6、间的干扰，采用以下电源管理策略：　　（1）为了降低电源电路复杂度，统一使用5V供电。选用LDO低压差线性稳压器TPS76850。　　（2）电机模块单独供电。MCU等模块能够长时间处于稳定工作状态，相互之间干扰较小，而电机模块驱动电机时电池会发生较大的压降和电流，容易产生对其它模块的干扰。　　3.2姿态传感模块　　智能平衡车控制系统的核心在于对车模平衡状态的控制，为维持车模平衡需要实时监控车模在X轴和Z轴的姿态。姿态传感包括MMA8451加速度计和MPU3050陀螺仪两个部分。均为数字型传感器，具有稳定、灵敏度高以及零温漂等特点。　　3.3测速传感模块　　系

7、统使用两个512线3相增量式Mini编码器分别采集车模左右两轮的速度及其方向。该编码器体积小、质量轻、信号采集速度快，完全能?蚵?足系统快速进行速度控制的要求。　　3.4路径识别模块　　选用10mH工型电感作为电磁感应线圈，再并联6.8nF电容构成RLC并联谐振检波电路，实现道路电磁中心线的检测。由于采集到的正弦信号的振幅较小且衰减速度很快，不便于MCU的AD采集，所以选用一款单电源反馈型双核放大器AD8032进行信号的放大工作。　　3.5电机驱动模块　　电机驱动模块采用全桥电路，由HIP4082驱动4片N型LR7843MOS管构成，用MC34063提供1

8、2V升压供电。LR7843具有极低的导通电阻与栅极阻抗，额定工作电