两轮自平衡车控制系统的设计与实现.pdf

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1、自动化技术与应用2014年第33卷第10期工业控制与应用ndustryControlandApplications两轮自平衡车控制系统的设计与实现周牡丹．康恺．蔡普郎．黄天健(厦门大学嘉庚学院电子工程系，福建漳州363l05)摘要：根据飞思卡尔智能车竞赛的要求，设计了基于MC9SI2XS128单片机的两轮自平衡智能车控制系统。介绍了该智能车系统的硬件模块电路设计、控制系统的构成及核心控制算法的实现。在此基础上详细介绍了用于智能车直立控制、速度控制和方向控制的参数调试时简单易行的关键技术。经过反复多次的

2、实验表明，本文设计的两轮自平衡车控制系统I生能可靠，在车身保持直立平衡的同时能够沿着赛道快速平稳运行．关键词：两轮自平衡车；PID控制；CCD路径检测；直立控制中图分类号：TP273文献标识码：B文章编号：l003—724l(2Ol4)l0—0004—05DesignandImplementationofTwo--WheeledSelf—BalancingVehicleControlSystemZHOUMu·dan，KANGKai，CAIPu-lang,HUANGTian-jian(Dept．ofEl

3、ectronicEngineering，TKKCollege，XiamenUniversity，Zhangzhou363105China)Abstract：Fol‘Freescalesmartcarcontestrequil‘ements，atwo—wheeledself-balancingintelligentvehiclecontrolsystembasedORMC9S12XS128isdesigned．Thisarticleintroducesthedesignofthehardwaremodu

4、lecircuit，thestl’uctureofcontrolsystem，andtheimplementationofthecorecontrolalgoritlmlaboutthevehicle．Tilekeytechnologiesfordebu。(t}o⋯"。otheuprightcontrol，speedcontrolanddirectioncontroloftheintelligentvehiclearealsodiscussediI1thepaper．Afterrepeatedexpe

5、riments，itshowsthatthedesignofthetWO—wheeledself-balancingvehiclecontrolsystenlisfeasibleandreliable．Thevehiclecanrui1quicklyandsmoothlyalongwiththetrackwhilemaintaininguprightbalance．Keywords：tWO—wheeledself-balancingvehicle；PIDcontrol；CCDpathdetection

6、；uprightcontrol1引言测前进的路径，在直立平衡控制、速度控制和方向控制近年来，两轮自平衡电动车以其绿色节能、灵活便均采用经典的数字PID控制算法。本文就gt平衡车闭环捷等优点而得到很大的发展。国内外有很多这方面的控制算法的单片机编程实现及整车的参数调试等方面研究及相关的产品【1JI2】。两轮自平衡小车是一种移动作了深入的研究。式的倒立摆，是一个具有多变量、非线性、强耦合等特性的多输入多输出的复杂控制系统，是自动控制研究领2硬件系统设计域的经典课题【。针对两轮自平衡小车的研究和设计本系统的

7、硬件设计包括单片机最小系统模块、电具有一定的理论研究价值和实际应用价值。本文介绍源模块、线性CCD模块、陀螺仪与加速度计模块、电一种在飞思卡尔智能车竞赛中光电平衡组的自平衡循机驱动模块、测速模块、调试模块等。整体的硬件框图迹小车的实现方案。根据陀螺仪测量的角速度与加速如图1所示、实物图如图2所示。系统通过线性CCD模度计测量的角度进行互补滤波跟踪车身的准确倾角，使块检测赛道两边的黑线，通过陀螺仪和加速度计相配合用测速编码器测量车轮的转速，采用线性CCD传感器检检测车身的姿态，通过编码器检测车轮转速。单

8、片机根据接收到的传感器信号结合闭环控制算法和PWM技收稿日期：2014—05—20术实现自动的路径循迹、车身直立自平衡及速度的平自动化技术与应用》2014年第33卷第10期稳控制等功能。用128个线性排列的TSL1401线性CCD传感器模块。电机驱动模块采用四片BTS7960搭成两个H桥电路分别控制左右车轮的直流电机。测速模块采用OMEAB两相500线光电编码器，精度上足够保证车子速度测量的面、要求。由于MC9S12XS128内部仅有一个脉冲累加器，——