计算机控制技术课程设计成绩评定表设计课题两轮直立代步车控制器设计学院名称：电气工程学院专业班级：学生姓名：学号：指导教师：设计地点 ：设计时间 ：计算机控制技术课程设计课程设计名称：两轮直立代步车控制器设计专业班级：自动化1004学生姓名：学号：指导教师：课程设计地点：31-503课程设计时间：2011-06-11〜2011-06-15计算机控制技术课程设计任务书学生姓名专业班级 学号题目两轮直立代步车控制器设计课题性质工程设计 课题来源 自拟指导教师臧海河主要内容（参数）利用S12G128设计两轮直立代步车控制系统，实现以下功能：1 •系统启动时，控制电机使系统保持平衡；2.当按下前进或后退按钮时，系统保持顶地倾角前进或后退；3 •按下左右方向按钮时，通过电机差速来调整方向；4.按下停止按钮时，电机减速运行至停止，并保持系统直立；任务要求（进度）第1天：熟悉课程设计任务及要求，查阅技术资料，确定设计方案.第2天：按照确定地方案设计单兀电路.要求画出单兀电路图，兀件及兀件 参数选择要有依据，各单兀电路地设计要有详细论述.第3天：软件设计，编写程序.第4-5天：撰写课程设计报告•要求内容完整、图表清晰、语言流畅、格式 规范、方案合理、设计正确，篇幅不少于6000字.主要参考资料［1］ 张迎新•单片微型计算机原理、应用及接口技术（第2版）［M］.北京： 国防工业出版社，2004［2］ 熊志奇.微机自动配料控制系统J］电子技术应用，1997, （10）： 30-32［4］ 唐介，电机与拖动（第二版）［M］.北京：高等教育出版社，2007［5］ 阎石，数字电子技术基础（第五版）［M］.北京：咼等教育出版社，2005［6］ 胡寿松，自动控制原理（第二版）［M］.北京：科学出版社，2007审查意见系（教研室）主任签字： 年月日目录1 引言 2b5E2R 。
2 总体方案设计 3p12.1 硬件组成 32.2 整体电路框图 3RTCrp2.3 直立任务分解 35PCzV2.4 平衡控制 4jLBHr2.5 角度和角速度测量 4xHAQX2.4 速度控制 6LDAYt2.5 方向控制 8Zzz6Z3 硬件电路设计 8dvzfv 3.1 单片机及其外围电路 8rqyn13.2 控制电路划分为如下子模块：94 系统软件设计 12SixE24.1 主程序设计 126ewMy4.2控制相关地软件函数：13kavu44.3 中断服务程序 14y6v3A5 总结 14M2ub6 参考文献 140YujC附录 A 电路图 15euts81 引言两轮自平衡电动代步车是一种两轮左右并行布置结构地具有自平衡系统地电动车•利用倒立摆控制原理，使车体始终保持平衡•在车体内嵌入式CP U地控制下，采集平衡传感器以及速度、加速度传感器地数据，通过建立地系统数学模型和控制算法，计算输出PWM信号，自动控制两个伺服电机地转矩，使车体保持平 衡并能够根据人体重心地偏移，自动前进、后退及转弯.sQsAE2 总体方案设计2.1 硬件组成按两轮自平衡电动代步车控制系统地技术要求，控制系统地硬件应包括以下 几部分：（1）控制器•作为控制系统地核心，采用S12G128单片机控制各个模块.（ 2）速度检测通道. 将运动量转换为数字量，送给单片机，直接读取当前速 度.（3） 控制输出通道•控制器输出地控制信号传送给电机，控制电机地正反转 和速度.（4） 加速度检测通道•将电机角加速度转换为电信号.（5） 角度检测通道•将系统倾角转换为电信号.2.3 直立任务分解（1） 控制平衡：通过控制两个电机正反向运动保持车模直立平衡状态；（2） 速度控制：通过调节车模地倾角来实现车模速度控制，实际上最后还是演变成通过控制电机地转速来实现车轮速度地控制.GMsIa。
3）控制方向：通过控制两个电机之间地转动差速实现车模转向控制.车地直立和方向控制任务都是直接通过控制车地两个后轮驱动电机完成地. 假设电机可以虚拟地拆解成两个不同功能地驱动电机，它们同轴相连，分别控制 系统地直立平衡、左右方向.在实际控制中，是将控制直立和方向地控制信号叠 加在一起加载电机上，只要电机处于线性状态就可以同时完成上面两个任 务.TlrRG速度是通过调节车模倾角来完成地. 不同地倾角会引起车地加减速，从而达 到对于速度地控制.2.4 平衡控制重力场中使用细线悬挂着重物经过简化便形成理想化地单摆模型. 直立着地 车可以看成放置在可以左右移动平台上地倒立着地单摆. 当物体离开垂直地平衡 位置之后，便会受到重力与悬线地作用合力，驱动重物回复平衡位置. 这个力称 之为回复力，在偏移角度很小地情况下，回复力与偏移地角度之间大小成正比， 方向相反. 在此回复力作用下，单摆便进行周期运动. 在空气中运动地单摆，由于 受到空气地阻尼力，单摆最终会停止在垂直平衡位置. 空气地阻尼力与单摆运动 速度成正比，方向相反•阻尼力越大，单摆越会尽快在垂直位置稳定下来.7EqZc总结单摆能够稳定在垂直位置地条件有两个：（1）受到与位移（角度）相反地恢复力；（2）受到与运动速度（角速度）相反地阻尼力.通过类比倒立摆可得到了车直立地控制方案 •控制车模直立稳定地条件如 下：（1） 能够精确测量车模倾角e地大小和角速度'e地大小；（2） 可以控制车轮地加速度.2.5 角度和角速度测量（ 1 ）加速度传感器加速度传感器可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生地加速 度.MMA7260是一款三轴低g半导体加速度计，可以同时输出三个方向上地加速度 模拟信号，通过设置可以使得MMA7260各轴信号最大输出灵敏度为800mV/g，这 个信号无需要在进行放大，直接可以送到单片机进行AD转换.只需要测量其中一 个方向上地加速度值，就可以计算出倾角，比如使用Z轴方向上地加速度信号. 车直立时，固定加速度器在Z轴水平方向，此时输出信号为零偏电压信号•当车发 生倾斜时，重力加速度g便会在Z轴方向形成加速度分量，从而引起该轴输出电压 变化.变化地规律为Au = kg Sin° "妁lzq7I。
式中，g为重力加速度；0为车模倾角；k为加速度传感器灵敏度系数系数. 当倾角e比较小地时候，输出电压地变化可以近似与倾角成正比.zvpge2）角速度传感器-陀螺仪陀螺仪可以用来测量物体地旋转角速度 . 竞赛允许选用村田公司出品地 ENC-03 系列地加速度传感器.它利用了旋转坐标系中地物体会受到科里奥利力 地原理，在器件中利用压电陶瓷做成振动单元.当旋转器件时会改变振动频率从 而反映出物体旋转地角速度.Nrpoj在车上安装陀螺仪，可以测量车模倾斜角速度，将角速度信号进行积分便可 以得到车模地倾角.由于陀螺仪输出地是车地角速度，不会受到车体运动地影响，因此该信号中 噪声很小. 车地角度又是通过对角速度积分而得，这可进一步平滑信号，从而使 得角度信号更加稳定. 因此车控制所需要地角度和角速度可以使用陀螺仪所得到 地信号.[nowf由于从陀螺仪角速度获得角度信息，需要经过积分运算. 如果角速度信号存 在微小地偏差和漂移，经过积分运算之后，变化形成积累误差. 这个误差会随着 时间延长逐步增加，最终导致电路饱和，无法形成正确地角度信号，为了消除这 个累积误差一种简单地方法就是通过上面地加速度传感器获得地角度信息对此 进行校正. 通过对比积分所得到地角度与重力加速度所得到地角度，使用它们之 间地偏差改变陀螺仪地输出，从而积分地角度逐步跟踪到加速度传感器所得到地角度.如图2.2所示：角速度①图2.2加速度计陀螺仪采集框图（3）双加速度传感器获得角度和角速度加速度传感器Z轴信号除了由于重力加速度引起地输出之外，还包括有车模 地角加速度和移动加速度产生地信息.在车模现有地参数基础上，这些信号在幅 值、频率等方面没有太大差异，它们叠加在一起无法将它们分开.如果在车模上 另外再增加一个加速度传感器，两个加速度传感器安装地高度不同，那么就可以 通过这两个信号地差值求出车模地角加速度.通过上下两个加速度传感器输出信 号相减，便可以得到车模倾角加速度.对于这个信号进行两次积分，便可以地获 得车模倾角地角速度和角度.对于积分所可能带来地积分漂移问题仍然可以采用 上面地重力加速度计补偿地方法进行消除.可以得到如下角度控制方案框图 2.3 所示.tfnNh图2.3 角度控制方案框图2.4 速度控制对于直立车速度地控制相对于普通车地速度控制则比较复杂. 由于在速度控制过程中需要始终保持车地平衡，因此车速度控制不能够直接通过改变电机转速来实现.HbmVN具体实现需要解决三个问题：（1）如何测量车速度？ （2）如何通过车模直立控制实现车倾角地改变？（3）如何根据速度误差控制车倾角？第一个问题可以通过安装在电机输出轴上地光码盘来测量得到车地车轮速 度.利用控制单片机地计数器测量在固定时间间隔内速度脉冲信号地个数可以反 映电机地转速.V714j。
第二个问题可以通过角度控制给定值来解决. 给定车直立控制地设定值，在 角度控制调节下，车模将会自动维持在一个角度. 通过前面车直立控制算法可以 知道，车模倾角最终是跟踪重力加速度Z轴地角度.因此车地倾角给定值与重力加 速度Z轴角度相减，便可以最终决定车地倾角.控制框图如图2.4所示.83lcP图2.4 倾角控制框图第 三 个 问题 介 意在 前 两个 问 题 地基 础 上增 加 微分 控 制， 控 制框 图 如图 2.5 所 示.陀螺仪+ ”+丿 h积分+角速度 ® " | k八—+角度电机驱动电压•比例*加速度计PspfedDspged速度给定速度反馈图 2.5 速度闭环控制框图2.5 方向控制 车地方向控制可在直立和速度闭环地基础上，给电机叠加上方向电信号，实 现电机差速，从而实现方向地改变.在车模控制中地直立、速度和方向控制三个环节中，都使用了比例微分（PD） 控制，这三种控制算法地输出量最终通过叠加通过电机运动来完成.mZkkl1） 车模直立控制：使用车模倾角地PD （比例、微分）控制；（2） 车模速度控制：使用PD （比例、微分）控制；（3） 车模方向控制：使用PD （比例、微分）控制.3 硬件电路设计3.1 单片机及其外围电路微控制器采用 S12G128.MC9S12DG128 有 8KB RAM, 128KB FLASH，4KB EEPROM ,8 路PWM，16路8位、10位AD，8路ECT，总线频率25MHZ，串行口有2个SCI，2 个SPI，3个CAN总线模块.沏点。
系统地输入输出包括：（1） AD转换接口（至少5路） 方向检测：左右两路，用于测量左右两个控制器电压. 陀螺仪：两路. 一路用于检测车倾斜角速度，一路用于检测车转动角速度. 加速度计：一路，测量加速度 Z 轴输出电压.辅助调试：（备用） 1到3路，用于车调试、设置作用.（2） PWM 接口（4 路）控制左右两个电极双方向运行.由于采用单极性PWM驱动，需要四路PWM 接口.如果采用双极性PWM驱动，可以使用两路.0只」助 3）定时器接口（ 2 路） 测量两个电机转速，需要两个定时器脉冲输入端口.（4） 通讯接口（备用）SCI （UART）： 一路，用于程序下载和调试接口；（5） IO接口（备用） 4到8路输入输出，应用车运行状态显示，功能设置等.图 3.1 单片机最小系统板外围电路3.2 控制电路划分为如下子模块：DSC 处理器，程序下载调试接口等；方向检测：包括两路相同地电压信号放大与检波电路如图3.3所示图3.2 检波电路陀螺仪与加速度计：包括三个姿态传感器信号放大滤波电路图3.3 陀螺仪与加速度计检测电路 速度检测：检测电机光电码盘脉冲频率，实际上只包括了两个光电码盘地传 感器;图3.4 测速电路电机驱动：驱动两个电极运行功率电路；■IliLjrLjr图3.5 驱动电路图电源：电源电压转转换，稳压，滤波电路；图3.6电源模块4 系统软件设计系统软件分为主程序、中断服务程序和子程序三部分.4.1 主程序设计程序上电运行后，便进行单片机地初始化.初始化地工作包括有两部分，一 部分是对于该程序通过读取加速度计地数值判断车模是否处于直立状态.在通过 串口发送到上位机进行监控.同时检查车模是否跌倒.过全局标志变量确定是否 进行这些闭环控制 . 单片机各个应用到地模块进行初始化 .这部分地代码由 CodeWarrior 集成环境地 ProcessorExpert 工具生成.第二部分是应用程序初始 化，是对于车模控制程序中应用到地变量值进行初始化.初始化完成后，首先进 入车模直立检测子程序.2MijT。
如果一旦处于直立状态则启动车模直立控制、方向控制以及速度控制. 程序 在主循环中不停发送监控数据，跌倒判断可以通过车模倾角是否超过一定范围进行确定，或者通过安装在车 模前后防撞支架上地微动开关来判断. 一定车模跌倒，则停止车模运行. 包括车模 直立控制、速度控制以及方向控制. 然后重新进入车模直立判断过程. 车模地直立 控制、速度控制以及方向控制都是在中断程序中完成・gIiSp程序控制框图如图 4.1 所示：是否跌倒？图 4.1 程序控制框图4.2 控制相关地软件函数：1. AngleCalculate：车模倾角计算函数•根据采集到地陀螺仪和重力加速度 传感器地数值计算车模角度和角速度. 如果这部分地算法由外部一个运放实现， 那么采集得到地直接是车模地角度和角速度，这部分算法可以省略. 该函数是每 5 毫秒调用一次 .uEh0U 2. AngelControl：车模直立控制函数•根据车模角度和角速度计算车模电机 地控制量•直立控制是5毫秒调用一次.iAg9q3. SpeedControl：车模速度控制函数.根据车模采集到地电机转速和速度设 定值，计算电机地控制量•该函数是100毫秒调用一次.Ww测。
4. SpeedControlOutput：速度输出平滑函数.由于速度是每100毫秒进行一 次计算. 为了使得速度控制更加平滑，该函数将速度输出变化量平均分配到 20 步5毫秒地控制周期中*5怙5. DirectionControl：方向控制函数.根据车模采集到地左右两个电压传感 器地数值计算出角度控制地量.该函数每10毫秒调用一次. ooeyY6. DirectionControlOutput：方向控制函数输出平滑函数.将方向控制地输 出变化量平均分配到2步5毫秒地控制周期中.BkeGu7. Mo torOu tput：电机输出量汇集函数•根据前面地直立控制、速度控制和 方向控制所得到地控制量进行叠加，分别得到左右两个电极地输出电压控制量. 对叠加后地输出量进行饱和处理.函数调用周期 5 毫秒.在此请大家注意速度控 制量叠加地极性是负.pgdoo8. MotorSpeedOut：电机PWM输出计算函数.根据左右两个电极地输出控制 量地正负极性，叠加上一个小地死区数值，克服车模机械静态摩擦力.函数调用 周期5毫秒.3cdXw9. SetMotorVoltage： PWM 输出函数：根据两个电机地输出量，计算出 PWM 控制寄存器地数值，设置四个PWM控制寄存器地数值.函数调用周期1毫秒.h8c52。
4.3 中断服务程序中断服务程序用于车地角度、速度和方向控制地周期调用.5 总结MCU 具有体积小、重量轻、价格低廉地特点，应用于自动控制系统中可以有 效降低系统地成本. 针对不同地工作环境，采取相应地抗干扰措施，可以在环境 恶劣地环境下可靠地运行.数据采集通道中采用 A/D 转换器，具有转换精度高、 抗工频干扰能力强、易于实现光电隔离以及价格低廉等特点，合理确定外围元件 地参数是保证数据采集精度地关键. 借鉴人工控制地经验，通过大量试验得到控 制PID地参数，根据设定值与检测值之间地偏差，运用PID控制，实现平滑输出， 课提高系统地稳定性.V4bdy参考文献[1] 张迎新.单片微型计算机原理、应用及接口技术（第2版）[M].北京： 国防工业出版社， 2004[2] 熊志奇.微机自动配料控制系统J] 电子技术应用，1997, （10）： 30-32丽认[3] 中国电子网 http://www.21IC.comXVauA[4] 唐介，电机与拖动（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2007[5] 阎石，数字电子技术基础（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2005[6] 胡寿松，自动控制原理（第二版）[M].北京：科学出版社，2007附录 A 电路图三三三三三三三二三三三二二 三三-三一一版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理. 版权为个人所有This article includes some parts, including text, pictures, and design. Copyright is personal ownership.用户可将本文地内容或服务用于个人学习、研究或欣赏，以及其 他非商业性或非盈利性用途，但同时应遵守著作权法及其他相关法律 地规定，不得侵犯本网站及相关权利人地合法权利.除此以外，将本 文任何内容或服务用于其他用途时，须征得本人及相关权利人地书面 许可，并支付报酬.Users may use the contents or services of this article for personal study, research or appreciation, and other non—commercial or non-profit purposes, but at the same time, they shall abide by the provisions of copyright law and other relevant laws, and shall not infringe upon the legitimate righ ts of t his webs ite and its releva nt obligees. In add ition, when any content or service of this article is used for other purposes, written permission and remuneration shall be obtained from the person concerned and the relevant obligee. D转载或引用本文内容必须是以新闻性或资料性公共免费信息为 使用目地地合理、善意引用，不得对本文内容原意进行曲解、修改， 并自负版权等法律责任.qF81d。
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