淺論小型兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究論文
小型兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)控制方案，是使用姿態(tài)檢測(cè)傳感器來(lái)檢測(cè)小車(chē)姿態(tài)的變化，運(yùn)用合適的運(yùn)動(dòng)控制原理，驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以保持小車(chē)平衡、但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，加速度計(jì)檢測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)易受小車(chē)運(yùn)動(dòng)速度影響，陀螺儀檢測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)易受溫度影響，因此需要采用濾波器對(duì)其進(jìn)行濾波、通過(guò)對(duì)卡爾曼濾波器與互補(bǔ)濾波器這兩種不同的濾波器進(jìn)行比較，在基于飛思卡爾公司Kinetis K60的小型兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)上加以驗(yàn)證，從而得出在實(shí)際設(shè)計(jì)中卡爾曼濾波器優(yōu)于互補(bǔ)濾波器。
1控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)
1.1系統(tǒng)分析
小型兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)系統(tǒng)主要由姿態(tài)傳感器,CMOS攝像頭傳感器、矢量光電編碼器,Kinetis K60單片機(jī)、直流減速電淚L及其驅(qū)動(dòng)電路組成。陀螺儀與加速度計(jì)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后傳至控制器中，通過(guò)濾波器進(jìn)行濾波后，獲得較為精確的角速度和角加速度數(shù)據(jù)，從而計(jì)算得到角度偏差;攝像頭采集道路信息，進(jìn)行路徑識(shí)別，使小車(chē)沿一定路徑J決速運(yùn)行光電編碼器采集車(chē)輪速度，通過(guò)負(fù)反饋控制小車(chē)速度，三者數(shù)據(jù)融合后，再通過(guò)PID算法輸出控制量，生成PWM從而控制電機(jī)運(yùn)行。
1.2矢量編碼器
小車(chē)進(jìn)行角度姿態(tài)控制時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)自由度上的偏移，除用測(cè)量角度的加速度計(jì)和陀螺儀外，還需要增加測(cè)量?jī)奢嗆?chē)位移的傳感器，這里選用可以測(cè)量正負(fù)位移的歐姆龍500線矢量編碼器(A日相光電編碼器)。
2角度濾波算法分析
從加速度計(jì)采集到的角度信息存在高頻干擾，輸出電壓，矢量編碼器控制電路會(huì)在實(shí)際反映傾角的電壓值附近波動(dòng)、要從陀螺儀獲得角度信息，需要經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算，而從單片機(jī)采集的角速度信息存在誤差和溫度偏移、這個(gè)誤差會(huì)隨時(shí)間延長(zhǎng)而積累，最終導(dǎo)致輸出信號(hào)偏離真實(shí)角度信號(hào)、因此，下面介紹兩種濾波法，對(duì)兩種傳感器所獲得信息進(jìn)行校正。
2.1互補(bǔ)濾波器
通過(guò)加速度計(jì)和陀螺儀積分獲得的`兩種與角度相關(guān)的信息，利用加速度計(jì)修正陀螺儀的積分輸出，利用陀螺儀修正加速度計(jì)的高頻干擾。從而使陀螺儀積分所得到的角度逐步跟蹤到加速度計(jì)所得到的角度。
對(duì)陀螺儀采集到的信息進(jìn)行積分獲得動(dòng)態(tài)角度，對(duì)加速度計(jì)采集到的信息進(jìn)行計(jì)算獲得靜態(tài)角度，陀螺儀積分在短時(shí)間內(nèi)可以較好地反映角度變化的情況，卻很難保證角度的精確性，而加速度計(jì)測(cè)量值可以較為真實(shí)地反映小車(chē)的物理角度信息，卻存在高頻干擾、利用動(dòng)態(tài)角度和靜態(tài)角度得到角度偏差，通過(guò)調(diào)節(jié)誤差積分時(shí)間把角度偏差補(bǔ)償?shù)絼?dòng)態(tài)角度中，可以在保證動(dòng)態(tài)性能的前提下獲得較準(zhǔn)確的角度值。
2.2卡爾曼濾波器
卡爾曼濾波用于數(shù)據(jù)融合時(shí)，可將姿態(tài)角和陀螺儀偏移量描述成由狀態(tài)方程和測(cè)量方程組成的二維系統(tǒng)。
2.3仿真結(jié)果
為了比較互補(bǔ)濾波器和卡爾曼濾波器對(duì)于陀螺儀的角度信息校正的有效性，將該算法利用MAL下LA日仿真，使其跟蹤同一呈正弦變化的仿真角度信息。
3軟件設(shè)計(jì)
小車(chē)的直立控制、速度控制以及方向控制都是在中斷程序中完成。利用單片機(jī)的一個(gè)周期定時(shí)器產(chǎn)生1ms周期中斷，中斷程序的任務(wù)被分配在五個(gè)中斷片段中、)因此每個(gè)中斷片段中的任務(wù)執(zhí)行周期為5ms，將任務(wù)分配到不同的中斷片段中，一方面防i1=這些任務(wù)累積執(zhí)行時(shí)間超過(guò)1ms，擾亂中斷時(shí)序，另一方面也考慮到這些任務(wù)之間的時(shí)間先后順序。
由軟件設(shè)計(jì)框圖及程序可得，進(jìn)入第一個(gè)時(shí)間片時(shí)，脈沖計(jì)數(shù)器采集編碼器計(jì)數(shù)車(chē)輪轉(zhuǎn)數(shù)的信息，從而得到車(chē)體速度;進(jìn)入第二個(gè)時(shí)間片時(shí)，采集陀螺儀與加速度計(jì)傳感器數(shù)據(jù)，由于采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù)，需要時(shí)間較長(zhǎng)，因此將車(chē)體的直立控制函數(shù)放在下一個(gè)時(shí)間片中，進(jìn)入第三個(gè)時(shí)間片時(shí)，計(jì)算直立控制的輸出量，并將直立控制、速度控制和方向控制的輸出量疊加成電機(jī)輸出量;進(jìn)入第四個(gè)時(shí)間片時(shí)，計(jì)算速度控制的輸出量;進(jìn)入最后一個(gè)時(shí)間片時(shí)，計(jì)算方向控制的輸出量。
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