单轴两轮自平衡小车姿态控制系统设计.pdf

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1、16单轴两轮自平衡小车姿态控制系统设计单轴两轮自平衡小车姿态控制系统设计UniaxialTwoWheelSelf－balancingCarAttitudeControlSystem刘海刚宋一标陈恒伟龙察廖惜春（五邑大学信息工程学院，广东江门529020）刘海潮（广州日滨科技发展有限公司，广东广州510060）摘要两轮自平衡车是动态平衡机器人的一种，需要靠运动保持平衡不倒，要施加强有力的控制手段使其稳定。介绍一种单轴两轮自平衡小车姿态控制系统设计过程，采用FreescaleKinetis60作为核心控制单元，三轴加

2、速度传感器MMA7260和陀螺仪ENC－03M测量车模的倾角和倾角速度，测速编码器获取电机运动状态，通过PD调节控制两个电机正反向运动，保持车模直立平衡状态。为了增加小车的机械稳定性，采取了降低重心和减轻小车质量的方法，比如把小车电池和主控板等尽量压下，将整个车模的重心降到轮轴附近。关键词：姿态控制，多传感器数据融合，自平衡控制算法，PD算法AbstractTwo－wheeledself－balancingvehicleisakindofdynamicbalancingrobot,needtorelyonmoti

3、onbalancebutnottoapowerfulcontrolmakesitstable．Thispaperintroducesanuniaxialtwo－wheelself－balancingdollyattitudecontrolsystemdesignprocess,usingFreescaleKinetis60ascorecontrolunit,triaxialaccelerationsensorMMA7260andgyroscopeENC－03mmeasurementmodelsofAngleand

4、Anglespeed,speedencoderformotormotion,throughPDregulatingcontroltwomotordirection,movement,balanceofmodelsofverticalstate．Inordertoincreasethemechanicalstabilityofthecar,tookalowercenterofgravityandreducethecarqualityapproach,suchasthecarbatteryandthemaincont

5、rolboardtopressdownasfaraspossible,thecenterofthewholecarmodelshouldbeneartotheshaft．Keywords:attitudecontrol,multi－sensordatafusion,sincethebalancecontrolalgorithm,PDalgorithm在第七届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛的电磁组比赛中，利用了其赛用C型车模双后轮驱动的特点，要求实现两轮自平衡直立行走，对推动自平衡理论的应用和发展有着重大意义。

6、开展对两轮自平衡车的深入研究对提高我国在该领域的科研水平、扩展机器人的应用背景等具有重要的理论及现实意义。目前关于两轮自平衡车的研究和成果已经很多，国内外众多商家已经将两轮自平衡车作为运输载具商业化量销售。本文图1总方案结构图的目的是探索使用廉价元器件构建一个简易的实验平台，以便列微处理器。加速度计传感器选用飞思卡尔MMA7260，进行各种控制算法的实验和理论研究。MMA7260是一款三轴低g半导体加速度计，可以同时输出三1系统总体方案个方向上的加速度模拟信号，通过设置可以使得MMA7260各本文设计的两轮自平衡

7、智能小车控制系统，考虑到自平衡轴信号最大输出灵敏度800mV／g，这个信号无需要再进行放控制需要较高且稳定的控制速度，采用飞思卡尔Kinetis60系大，直接可以送到单片机进行AD转换。陀螺仪可以用来测量物列微处理器作为主控制器。采用飞思卡尔MMA7260三轴高灵体的旋转角速度。陀螺仪选用村田ENC－03M，它利用了旋转坐敏度加速度传感器与村田公司的ENC－03M陀螺仪作为自平衡小车的姿态传感器。采用BTS7960作为电机的驱动芯片，实现对电机正反转的控制。同时，为了增加小车的机械稳定性，采取了降低重心和减小小车

8、质量的方法，比如把小车的电池和主控板等尽量的放在靠下的地方，将整个车模的重心降到轮轴附近，解决两轮自平衡机器人非线性、强耦合和绝对不稳定的特点。重心越低的物体越稳定，不倒翁是一个很好的实例。小车质量越轻，重心位置越低，则小车绕电机轴的转动惯量越小，电机的机电时间常数越小，因此越有利于小车平衡的控制。总方案结构图如图1所示。2系统硬件设计微处理器选用基于Cortex－M4的