双轮自平衡小车.docx

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1、项目名称：两轮自平衡小车本设计采用微控制器，通过软件滤波和自动控制理论算法使得小车达到平衡状态。系统的传感器采用角度传感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。依靠这些可靠的硬件设计，使用PID闭环控制算法和卡尔曼滤波算法，使得整个硬件结构和软件系统能顺利匹配。从而使得小车能保持直立自平衡状态。详细介绍：单轴两轮自平衡小车系统设计说明书摘要：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感器的数据；通过软件滤波和自动控制

2、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...(查看更多)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。关键词：微控制器卡尔曼滤波PID闭环控制一、总体设计方案（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，直立行走。系统应该设置有测量倾角和加速度的

3、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（2）方案论证与比较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、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，A

4、T89S52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

5、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，51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/PW

6、M/(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：采用因特尔梅公司的增强型的MEGA16高性能、低功耗的8位AVR®微

7、处理器。MEGA16先进的RISC结构–131条指令–大多数指令执行时间为单个时钟周期–32个8位通用工作寄存器–全静态工作–工作于16MHz时性能高达16MIPS–只需两个时钟周期的硬件乘法器–两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器–一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器–具有独立振荡器的实时计数器RTC–四通道PWM–8路10位ADC等内部资源。ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器