淺論小型兩輪自平衡電動車系統的設計與研究論文

淺論小型兩輪自平衡電動車系統的設計與研究論文

　　小型兩輪自平衡電動車控制方案，是使用姿態檢測感測器來檢測小車姿態的變化，運用合適的運動控制原理，驅動電機進行相應的調整，以保持小車平衡、但在實際設計中，加速度計檢測出來的資料易受小車運動速度影響，陀螺儀檢測出來的資料易受溫度影響，因此需要採用濾波器對其進行濾波、透過對卡爾曼濾波器與互補濾波器這兩種不同的濾波器進行比較，在基於飛思卡爾公司Kinetis K60的小型兩輪自平衡電動車姿態穩定系統上加以驗證，從而得出在實際設計中卡爾曼濾波器優於互補濾波器。

　　1控制系統分析與設計

　　1.1系統分析

　　小型兩輪自平衡電動車系統主要由姿態感測器,CMOS攝像頭感測器、向量光電編碼器,Kinetis K60微控制器、直流減速電淚L及其驅動電路組成。陀螺儀與加速度計的資料經過AD轉換後傳至控制器中，透過濾波器進行濾波後，獲得較為精確的角速度和角加速度資料，從而計算得到角度偏差;攝像頭採集道路資訊，進行路徑識別，使小車沿一定路徑J決速執行光電編碼器採集車輪速度，透過負反饋控制小車速度，三者資料融合後，再透過PID演算法輸出控制量，生成PWM從而控制電機執行。

　　1.2向量編碼器

　　小車進行角度姿態控制時會產生兩個自由度上的偏移，除用測量角度的加速度計和陀螺儀外，還需要增加測量兩輪車位移的感測器，這裡選用可以測量正負位移的歐姆龍500線向量編碼器(A日相光電編碼器)。

　　2角度濾波演算法分析

　　從加速度計採集到的角度資訊存在高頻干擾，輸出電壓，向量編碼器控制電路會在實際反映傾角的電壓值附近波動、要從陀螺儀獲得角度資訊，需要經過積分運算，而從微控制器採集的角速度資訊存在誤差和溫度偏移、這個誤差會隨時間延長而積累，最終導致輸出訊號偏離真實角度訊號、因此，下面介紹兩種濾波法，對兩種感測器所獲得資訊進行校正。

　　2.1互補濾波器

　　透過加速度計和陀螺儀積分獲得的`兩種與角度相關的資訊，利用加速度計修正陀螺儀的積分輸出，利用陀螺儀修正加速度計的高頻干擾。從而使陀螺儀積分所得到的角度逐步跟蹤到加速度計所得到的角度。

　　對陀螺儀採集到的資訊進行積分獲得動態角度，對加速度計採集到的資訊進行計算獲得靜態角度，陀螺儀積分在短時間內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，而加速度計測量值可以較為真實地反映小車的物理角度資訊，卻存在高頻干擾、利用動態角度和靜態角度得到角度偏差，透過調節誤差積分時間把角度偏差補償到動態角度中，可以在保證動態效能的前提下獲得較準確的角度值。

　　2.2卡爾曼濾波器

　　卡爾曼濾波用於資料融合時，可將姿態角和陀螺儀偏移量描述成由狀態方程和測量方程組成的二維繫統。

　　2.3模擬結果

　　為了比較互補濾波器和卡爾曼濾波器對於陀螺儀的角度資訊校正的有效性，將該演算法利用MAL下LA日模擬，使其跟蹤同一呈正弦變化的模擬角度資訊。

　　3軟體設計

　　小車的直立控制、速度控制以及方向控制都是在中斷程式中完成。利用微控制器的一個週期定時器產生1ms週期中斷，中斷程式的任務被分配在五個中斷片段中、)因此每個中斷片段中的任務執行週期為5ms，將任務分配到不同的中斷片段中，一方面防i1=這些任務累積執行時間超過1ms，擾亂中斷時序，另一方面也考慮到這些任務之間的時間先後順序。

　　由軟體設計框圖及程式可得，進入第一個時間片時，脈衝計數器採集編碼器計數車輪轉數的資訊，從而得到車體速度;進入第二個時間片時，採集陀螺儀與加速度計感測器資料，由於採用模數轉換器採集資料，需要時間較長，因此將車體的直立控制函式放在下一個時間片中，進入第三個時間片時，計算直立控制的輸出量，並將直立控制、速度控制和方向控制的輸出量疊加成電機輸出量;進入第四個時間片時，計算速度控制的輸出量;進入最後一個時間片時，計算方向控制的輸出量。