论文部分内容阅读
摘 要：本文采用ARMK60芯片作为系统的主控芯片，同时提出了一款直立智能小车的方案设计。该方案设计理念是采用ENC03MB型和MMA7260型传感器构成的检测小车姿态的装置，ENC03MB是一种角速度传感器陀螺仪，MMA7260是加速度传感器。该方案设计制作完成后，系统中的各个模块都可以相互统一，相互协调，并实现小车正常行驶。在无人干预的情况下，直立智能小车可以实现自立平衡。与此同时，当遇到外界一些干扰时，直立小车也能够自立调整并且实现稳定状态。
关键词：直立智能小车；陀螺仪；姿态检测；卡尔曼滤波；数据融合
当前车辆已不再单单是代步工具，它已是融合了多种学科理论和技术的机电一体化技术。它涉及各个领域，应用范围越来越广泛。智能车辆在工作过程中可以克服工作区域狭窄、路面不平、工作环境复杂恶劣等造成的影响，可以使车辆适应特定的环境，灵活快捷的在恶劣复杂环境里工作。作为当前最主要研究课题，直立智能小车将引领未来新时代新科技。
1 直立智能小车优势
因为直立智能小车的车身重心位于车轮轴上方且两轮共轴，可以相互独立驱动等结构特点，所以它对于地形变化有很强的适应能力，运动过程中保持平衡，有良好的运动性能，从而实现直立运动，能够在比较复杂的环境里工作。具有以下几个优点：（1）传统多轮汽车布局有很多弊端，直立智能小车弥补了其缺点，实现任意半径转向和原地回转，可以实现移动轨迹的灵活转变；（2）具有占地面积小的优点，能够在场地面积很小或者要求灵活运输的场合上使用；（3）车的结构上有很大的简化，可以把车做的更轻更小；（4）有着较小的驱动功率，能够让电池长时间供电；（5） 智能小车可以保持平衡，源于它是一个动态变化过程。它会不停的变化在平衡点附近，从而实现平衡调节；（6） 两轮智能直立小车的重心高度对小车运动和程序设计的限制小。
2 拟解决的主要技术问题
技术关键：（1） 测量小车的姿态、速度等；（2） 使用处理芯片对姿态信息进行处理；（3） 使用控制芯片，用模糊控制方法控制小车。主要技术指标：在一定角度内实现平衡，受外界一定干扰能自主恢复平衡等。
3 根据设计要求，确定如下方案：
使用MK60DN512VLL10单片机，ENC03MB和MMA7260为主要的控制通信器件，加装一些电源模块、电源驱动模块，实现对直立智能小车的平衡控制行驶。直立智能小车的运动状况是由单片机控制的，单片机通过所检测的各种信息实现实时控制，可实现直立小车系统的各项要求，达到灵活，可靠，精度高。
具体模块由单片机主控模块、电源模块、传感器模块、电机驱动模块共同组成，实现直立智能小车系统。
3.1 主控板模块
根据此设计特点要求，不能采用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A，A/D功能也不必选用。根据这些分析，我选定了MK60DN512VLL10单片机作为控制器，单片机ARMK60系列的I/O口均可按位寻址，有强大的位操作指令，价格低廉，更可贵的是程序空间也大，对于本设计来说非常合适。
3.2 电机驱动模块
我选用了BTS7970大功率直流电机驱动。
BTS7970具有以下特点：
（1）具有信号指示和电源指示；（2）转速可调；（3）抗干扰能力强输入全光电隔离；（4）内部具有续流保护；（5）可单独控制一台直流电机；（6）PWM脉宽平滑调速（可使用PWM信号对直流电机调速）；（7）可实现正反转；（8）此驱动器非常适合控制智能小车，驱动器压降小，电流大，驱动能力强。
3.3 传感器模块
小车姿态检测装置采用了ENC03MB式角速度传感器陀螺仪和MMA7260的加速度传感器。
3.3.1 角速度传感器陀螺仪
ENC03MB将输出一个模拟电压信号，它与角速度成正比，是根据科氏力原理设计。
ENC03MB具有以下特点：
（1）体积和重量特别小；（2）响应快；（3）驱动电压和功耗低。
3.3.2 加速度传感器
加速度传感器是对物体由于运动或地球引力而产生的加速度进行测量的。对于MMA7260这款加速度传感器来说，它是一款三轴低g半导体加速度计，可以向三个方向输出模拟信号，它的各轴信号输出灵敏度高达800mV/g，可以通过设置完成。该信号可进行AD直接转换，被直接送到单片机中，并不需要再放大，只需测量其中一个方向上加速度值就可以计算倾角。例如：Z轴方向的信号。当汽车倾斜时，Z轴方向会形成由于重力加速度g产生的加速度分量，从而产生输出电压的变化。因为在车直立时，Z轴水平方向没有加速度，输出是0偏电压信号。
3.4 卡尔曼算法的初值计算方法及实际应用
卡尔曼滤波是一种通过处理误差数据而获得所需要參数的一种估算算法。同理，预报值的最佳估计值也可以通过这一基本思想而获得。只需要处理带有误差的预报值就可以。它的最大优势：可以通过一系列包含噪声的不完全测量中，估计出动态系统的状态，也被称为递归滤波器。
3.5 双轮自平衡小车的PID控制
直立智能小车的核心问题是平衡控制问题和运动控制问题。直立智能小车需要始终保持车身直立。PID控制算法是应用最为普遍的一种算法，其特点是构造简单，应用有效及具备了许多成熟的稳定性分析的方法，有很高的可靠性。针对直立智能小车的非线性和不稳定性，利用非线性PD控制算法和PID差动结构可以实现小车的平衡控制和运动控制。
5 结语
直立智能小车是一种综合复杂的系统，它不但解决自平衡，还能够适应各种环境下的控制任务。集环境感知、行为控制和执行，动态决策和规划为一体的系统。通过运用外速度传感器、角速度传感器等，可以实现小车的平衡自主前进。
参考文献：
[1]郭天祥.51单片机C语言教程.电子工业出版社，2011.
[2]王元峰.戴旭辉.Altium Designer 10电路设计标准教程.科学出版社，2012.
关键词：直立智能小车；陀螺仪；姿态检测；卡尔曼滤波；数据融合
当前车辆已不再单单是代步工具，它已是融合了多种学科理论和技术的机电一体化技术。它涉及各个领域，应用范围越来越广泛。智能车辆在工作过程中可以克服工作区域狭窄、路面不平、工作环境复杂恶劣等造成的影响，可以使车辆适应特定的环境，灵活快捷的在恶劣复杂环境里工作。作为当前最主要研究课题，直立智能小车将引领未来新时代新科技。
1 直立智能小车优势
因为直立智能小车的车身重心位于车轮轴上方且两轮共轴，可以相互独立驱动等结构特点，所以它对于地形变化有很强的适应能力，运动过程中保持平衡，有良好的运动性能，从而实现直立运动，能够在比较复杂的环境里工作。具有以下几个优点：（1）传统多轮汽车布局有很多弊端，直立智能小车弥补了其缺点，实现任意半径转向和原地回转，可以实现移动轨迹的灵活转变；（2）具有占地面积小的优点，能够在场地面积很小或者要求灵活运输的场合上使用；（3）车的结构上有很大的简化，可以把车做的更轻更小；（4）有着较小的驱动功率，能够让电池长时间供电；（5） 智能小车可以保持平衡，源于它是一个动态变化过程。它会不停的变化在平衡点附近，从而实现平衡调节；（6） 两轮智能直立小车的重心高度对小车运动和程序设计的限制小。
2 拟解决的主要技术问题
技术关键：（1） 测量小车的姿态、速度等；（2） 使用处理芯片对姿态信息进行处理；（3） 使用控制芯片，用模糊控制方法控制小车。主要技术指标：在一定角度内实现平衡，受外界一定干扰能自主恢复平衡等。
3 根据设计要求，确定如下方案：
使用MK60DN512VLL10单片机，ENC03MB和MMA7260为主要的控制通信器件，加装一些电源模块、电源驱动模块，实现对直立智能小车的平衡控制行驶。直立智能小车的运动状况是由单片机控制的，单片机通过所检测的各种信息实现实时控制，可实现直立小车系统的各项要求，达到灵活，可靠，精度高。
具体模块由单片机主控模块、电源模块、传感器模块、电机驱动模块共同组成，实现直立智能小车系统。
3.1 主控板模块
根据此设计特点要求，不能采用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A，A/D功能也不必选用。根据这些分析，我选定了MK60DN512VLL10单片机作为控制器，单片机ARMK60系列的I/O口均可按位寻址，有强大的位操作指令，价格低廉，更可贵的是程序空间也大，对于本设计来说非常合适。
3.2 电机驱动模块
我选用了BTS7970大功率直流电机驱动。
BTS7970具有以下特点：
（1）具有信号指示和电源指示；（2）转速可调；（3）抗干扰能力强输入全光电隔离；（4）内部具有续流保护；（5）可单独控制一台直流电机；（6）PWM脉宽平滑调速（可使用PWM信号对直流电机调速）；（7）可实现正反转；（8）此驱动器非常适合控制智能小车，驱动器压降小，电流大，驱动能力强。
3.3 传感器模块
小车姿态检测装置采用了ENC03MB式角速度传感器陀螺仪和MMA7260的加速度传感器。
3.3.1 角速度传感器陀螺仪
ENC03MB将输出一个模拟电压信号，它与角速度成正比，是根据科氏力原理设计。
ENC03MB具有以下特点：
（1）体积和重量特别小；（2）响应快；（3）驱动电压和功耗低。
3.3.2 加速度传感器
加速度传感器是对物体由于运动或地球引力而产生的加速度进行测量的。对于MMA7260这款加速度传感器来说，它是一款三轴低g半导体加速度计，可以向三个方向输出模拟信号，它的各轴信号输出灵敏度高达800mV/g，可以通过设置完成。该信号可进行AD直接转换，被直接送到单片机中，并不需要再放大，只需测量其中一个方向上加速度值就可以计算倾角。例如：Z轴方向的信号。当汽车倾斜时，Z轴方向会形成由于重力加速度g产生的加速度分量，从而产生输出电压的变化。因为在车直立时，Z轴水平方向没有加速度，输出是0偏电压信号。
3.4 卡尔曼算法的初值计算方法及实际应用
卡尔曼滤波是一种通过处理误差数据而获得所需要參数的一种估算算法。同理，预报值的最佳估计值也可以通过这一基本思想而获得。只需要处理带有误差的预报值就可以。它的最大优势：可以通过一系列包含噪声的不完全测量中，估计出动态系统的状态，也被称为递归滤波器。
3.5 双轮自平衡小车的PID控制
直立智能小车的核心问题是平衡控制问题和运动控制问题。直立智能小车需要始终保持车身直立。PID控制算法是应用最为普遍的一种算法，其特点是构造简单，应用有效及具备了许多成熟的稳定性分析的方法，有很高的可靠性。针对直立智能小车的非线性和不稳定性，利用非线性PD控制算法和PID差动结构可以实现小车的平衡控制和运动控制。
5 结语
直立智能小车是一种综合复杂的系统，它不但解决自平衡，还能够适应各种环境下的控制任务。集环境感知、行为控制和执行，动态决策和规划为一体的系统。通过运用外速度传感器、角速度传感器等，可以实现小车的平衡自主前进。
参考文献：
[1]郭天祥.51单片机C语言教程.电子工业出版社，2011.
[2]王元峰.戴旭辉.Altium Designer 10电路设计标准教程.科学出版社，2012.