国产性70yerg老太,狠狠的日,欧美人与动牲交a免费,中文字幕成人网站

基本信息

項(xiàng)目名稱：
兩輪自平衡小車
簡(jiǎn)介：
本設(shè)計(jì)采用微控制器，通過(guò)軟件濾波和自動(dòng)控制理論算法使得小車達(dá)到平衡狀態(tài)。系統(tǒng)的傳感器采用角度傳感SCA61T，和陀螺儀采集小車車身的水平狀態(tài)值和小車的加速度值。并且采用了LM298雙橋大功率集成驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，無(wú)線遙控來(lái)控制小車的數(shù)據(jù)傳輸。依靠這些可靠的硬件設(shè)計(jì)，使用PID 閉環(huán)控制算法和卡爾曼濾波算法 ，使得整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)能順利匹配。從而使得小車能保持直立自平衡狀態(tài)。
詳細(xì)介紹：
單軸兩輪自平衡小車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書 摘要： 本設(shè)計(jì)采用ATMEL公司推出的MEGA 16 單片機(jī)作為“雙輪直立自平衡小車” 的微控制器，用以處理任意時(shí)刻傳感器的數(shù)據(jù)；通過(guò)軟件濾波和自動(dòng)控制理論算法使得小車能夠在任意時(shí)刻進(jìn)行自我調(diào)整以達(dá)到平衡狀態(tài)。 該系統(tǒng)的傳感器采用角度傳SCA61T，和陀螺儀采集小車車身的水平狀態(tài)值和小車的加速度值。并且采用了LM298雙橋大功率集成驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，無(wú)線遙控來(lái)控制小車的數(shù)據(jù)傳輸。依靠這些設(shè)備和可靠的硬件設(shè)計(jì)，我們使用了一套PID 閉環(huán)控制算法和比較穩(wěn)定的卡爾曼濾波算法 ，使得整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)能順利匹配。從而使得我們的小車能保持直立自平衡狀態(tài)。 關(guān)鍵詞：微控制器 卡爾曼濾波 PID閉環(huán)控制 一、總體設(shè)計(jì)方案 （1）、設(shè)計(jì)思路 題目要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)單軸兩輪自平衡小車。對(duì)于小車能保持平衡，直立行走。系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)置有測(cè)量?jī)A角和加速度的模塊?？梢圆捎媒撬俣葌鞲衅骱屯勇輧x測(cè)量出小車的傾角和加速度，并把數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)處理。經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理數(shù)據(jù)和進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償后，通過(guò)控制電機(jī)從而使小車保持在平衡狀態(tài)。 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) （2）、方案論證與比較 1.微控制器選型 方案一： 采用目前市場(chǎng)比較主流性能穩(wěn)定價(jià)格低廉的AT8952單片機(jī)，AT8952單片機(jī)內(nèi)部資源8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器、全靜態(tài)操作：0Hz～33MHz 、 32個(gè)可編程I/O口線 、三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 八個(gè)中斷源 、全雙工UART串行通道、 低功耗空閑和掉電模式 、掉電后中斷可喚醒 、看門狗定時(shí)器 、雙數(shù)據(jù)指針 、和一路可編程的PWM 輸出。我們的系統(tǒng)一共用到兩路獨(dú)立的PWM輸出，AT89S52只有一路硬件PWM 這樣我們必須考慮用軟件或硬件再產(chǎn)產(chǎn)生一路可調(diào)的PWM 才能滿足我們系統(tǒng)的兩個(gè)輪子調(diào)速的需求?？紤]到系統(tǒng)整體的程序構(gòu)思是一個(gè)很耗費(fèi)CPU運(yùn)行時(shí)間，所以我們排除了軟件中斷的方式在產(chǎn)生一路PWM ，節(jié)省了CPU 的程序運(yùn)行時(shí)間的開(kāi)銷。值得我們考慮的只能用其他電機(jī)控制芯片+AT8952來(lái)控制我們的兩個(gè)電機(jī)，后來(lái)我們考慮了NEC-SSOP30 這個(gè)電機(jī)控制芯片來(lái)產(chǎn)生兩路PWM，該芯片是一顆強(qiáng)大的直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的控制芯片，里面有三路可編程的直流電機(jī)PWM 輸出通道 和 三路步進(jìn)電機(jī) 控制通道，和單片機(jī)通信接口，有SPI 總線接口 和 USAP 串口通信 ，但是考慮到NEC –SSOP30 芯片 的指令周期是1.4MS ，不能實(shí)時(shí)性的更新系統(tǒng)的PWM 這樣就會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。最重要的一點(diǎn)還有考慮到該系統(tǒng)是程序里面運(yùn)行的是一些比較復(fù)雜的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，對(duì)微控制器的內(nèi)核得必須既有可靠穩(wěn)定快速處理浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的性能，51內(nèi)核是以馮諾依曼總線結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和傳輸，因?yàn)槲覀兌贾涝摻Y(jié)構(gòu)使不能同時(shí)進(jìn)取指令和舉行指令的，最終取得指令周期加長(zhǎng)，程序的實(shí)時(shí)性不能體現(xiàn)。還要51內(nèi)核的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算能力也不理想。 方案二：采用微芯公司的PIC18F4520 微控制器作為核心控制單元， PIC18F4520 是PIC家族里的一款比較高性能的單片機(jī)，內(nèi)部有三個(gè)可編程中斷，4個(gè)輸入電平變化中斷，2個(gè)捕獲/ 比較/PWM/(ECCP)模塊，有兩通道PWM 等。PIC 系列單片機(jī)內(nèi)部采用精簡(jiǎn)指令集大大提高程序執(zhí)行效率，內(nèi)部采用哈弗總線結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以取指令和執(zhí)行指令，大大提高程序的運(yùn)行速度，PIC18F4520 內(nèi)部不僅有一個(gè)8MHZ 的始終振蕩器，可以給系統(tǒng)能夠提供內(nèi)部時(shí)鐘，還有一個(gè)PLL 倍頻電路，可以給用戶擴(kuò)大系統(tǒng)頻率，從而使得程序的實(shí)時(shí)性加強(qiáng)。PIC 系列單片機(jī)是一個(gè)性能分類比較講究的單片機(jī)家族，對(duì)于PIC18F4520 這款單片機(jī)的浮點(diǎn)數(shù)處理能力不是很理想，考慮到PIC專門用做浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的16位單片機(jī)選型，但是價(jià)格非常的昂貴 方案三：采用因特爾梅公司的增強(qiáng)型的MEGA 16高性能、低功耗的 8 位 AVR&reg 微處理器 。MEGA 16先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu) – 131 條指令 – 大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期 –32 個(gè)8 位通用工作寄存器– 全靜態(tài)工作 – 工作于16 MHz 時(shí)性能高達(dá)16 MIPS – 只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器 – 兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器– 一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器– 具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC – 四通道PWM –8路 10 位ADC 等內(nèi)部資源。ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指 令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1MIPS/MHz，從而可 以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元 (ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié) 構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC微控制器最高至 10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。 兩輪小車自平衡是一個(gè)閉環(huán)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，對(duì)軟件和硬件性能要求都比較嚴(yán)格。軟件部分只要是開(kāi)微控制單元進(jìn)行處理，處理的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性都還嚴(yán)格的要求。因?yàn)榭紤]到硬件濾波的成本和靈活性，我們選擇了采用軟件濾波的方式，這樣我們程序里面就加重了比較復(fù)雜的軟件濾波算法，再加上PID 閉環(huán)平衡控制算法，這兩個(gè)算法都是用浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，這樣就要考慮到我們的微控制器的性能了。51系列單片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和指令集來(lái)看顯然不如PIC18F4520 ，但是 PIC18F4520 對(duì)于浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算并非是這款芯片的特點(diǎn)，其浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算肯定不夠理想。考慮到成本問(wèn)題我們排除了采用高價(jià)格的16位專門處理浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的PIC 微控制芯片 ，最終我們考慮 MEGA16 這款價(jià)格和性能都比較合適的微控制芯片，因?yàn)椴还茉趦r(jià)位，還是內(nèi)核結(jié)構(gòu)，和運(yùn)算效率 MEGA16 都強(qiáng)AT89S52 和PIC18F4520 所以最終整個(gè)系統(tǒng)我們采用MEGA16 作為整體的控制處理單元。 2.濾波電路模塊： 方案一：可以采用硬件濾波方式，RC LC 運(yùn)放一階濾波方式 ，或者采用一些精密的集成芯片濾波等。但考慮到硬件濾波的電路性能要求，可調(diào)節(jié)性，靈活性和成本。最終不采用硬件濾波的方法。 方案二：采用軟件濾波，軟件濾波算有 1.限幅濾波法（又稱程序判斷濾波法） 。優(yōu)點(diǎn)：能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾 。缺點(diǎn)無(wú)法抑制那種周期性的干擾平滑度。2、中位值濾波 B、優(yōu)點(diǎn)：能有效克服因偶然因素引起的波動(dòng)干擾對(duì)溫度、液位的變化緩慢的被測(cè)參數(shù)有良好的濾波效果、缺點(diǎn)：對(duì)流量、速度等快速變化的參數(shù)不宜。3、算術(shù)平均濾波法優(yōu)點(diǎn)：適用于對(duì)一般具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波這樣信號(hào)的特點(diǎn)是有一個(gè)平均值，信號(hào)在某一數(shù)值范圍附近上下波動(dòng)缺點(diǎn)：對(duì)于測(cè)量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計(jì)算速度較快的實(shí)時(shí)控制不適用比較浪費(fèi)RAM 。 4、遞推平均濾波法（又稱滑動(dòng)平均濾波法）。B、優(yōu)點(diǎn)：對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高適用于高頻振蕩的系統(tǒng) ，缺點(diǎn)：靈敏度低 對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差不適用于脈沖干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合比較浪費(fèi)RAM。5、中位值平均濾波法（又稱防脈沖干擾平均濾波法）優(yōu)點(diǎn)：融合了兩種濾波法的優(yōu)點(diǎn)對(duì)于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差、缺點(diǎn)：測(cè)量速度較慢，和算術(shù)平均濾波法一樣比較浪費(fèi)RAM。6、限幅平均濾波法比較浪費(fèi)RAM。7、一階滯后濾波法 。優(yōu)點(diǎn)：對(duì)周期性干擾具有良好的抑制作用適用于波動(dòng)頻率較高的場(chǎng)合 C、缺點(diǎn)：相位滯后，靈敏度低 滯后程度取決于a值大小不能消除濾波頻率高于采樣頻率的1/2的干擾信號(hào)。8 .卡爾曼濾波 ，卡爾曼濾波比維納濾波有以下優(yōu)點(diǎn)：①在卡爾曼濾波中采用物理意義較為直觀的時(shí)間域語(yǔ)言，而在維納濾波中則采用物理意義較為間接的頻率域語(yǔ)言。②卡爾曼濾波僅需要有限時(shí)間內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，而維納濾波則需要用過(guò)去的半無(wú)限時(shí)間內(nèi)的全部觀測(cè)數(shù)據(jù)。③卡爾曼濾波可使用比較簡(jiǎn)單的遞推算法，而維納濾波則需要求解一個(gè)積分方程。④卡爾曼濾波可以推廣到非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的情況，而維納濾波只適用于平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。⑤卡爾曼濾波所需數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量較小，便于用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，而維納濾波的計(jì)算復(fù)雜，步驟冗長(zhǎng)，不便于實(shí)時(shí)處理。在相同條件下，卡爾曼濾波能得出與維納濾波相同的結(jié)果。在實(shí)用上，卡爾曼濾波比維納濾波功能強(qiáng)，用途廣?？柭鼮V波已在航天技術(shù)、通信工程、工業(yè)控制等領(lǐng)域中得到比較廣泛的應(yīng)用?？柭鼮V波的局限性表現(xiàn)在只能用于線性的信號(hào)過(guò)程，即狀態(tài)方程和觀測(cè)方程都是線性的隨機(jī)系統(tǒng)，而且噪聲必須服從高斯分布。雖然不少實(shí)際問(wèn)題都可滿足這些限制條件，但當(dāng)實(shí)際系統(tǒng)的非線性特性稍強(qiáng)或者噪聲特性偏離高斯分布較大時(shí)，卡爾曼濾波就不能給出符合實(shí)際的結(jié)果。 最終系統(tǒng)采用卡爾曼濾波器，雖然卡爾曼濾波器也比較耗RAM ，但是我們用軟件在線仿真的到得濾波數(shù)值大大優(yōu)于其他軟件濾波方法。 3電機(jī)控制模塊： 方案一：采用分立元件組成的H橋驅(qū)動(dòng)電路，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路要求比較嚴(yán)格，用分立元件設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路不管是驅(qū)動(dòng)能力還是穩(wěn)定性都理想，還有系統(tǒng)用到兩路電機(jī)，還有電機(jī)驅(qū)動(dòng)變向的時(shí)候電機(jī)的速度不能改變，（因?yàn)轵?qū)動(dòng)電橋輸入端只有兩個(gè)用高低電平可以控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，加入我們以一路為PWM 輸入端另一路作為電機(jī)方向控制端，這樣我們控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)就會(huì)出現(xiàn)比較致命的問(wèn)題。（假如我們電機(jī)PWM 此刻為80%,另一路輸入高電平 這時(shí)候電機(jī)以順向旋轉(zhuǎn)。但系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中變相是隨時(shí)的，假如我們變相成逆向旋轉(zhuǎn)，在另一路輸入低電平，這時(shí)候 電機(jī)就會(huì)以4倍順向的速度逆轉(zhuǎn)旋 因?yàn)檎伎毡仁?80的高電平時(shí)間 ）為了使正反轉(zhuǎn)得到相同速度我們不僅要修改方向控制端的電平值，而還有修改占空比的值，我們單片機(jī)輸出的PWM是不具有反向功能用軟件處理也是比較耗程序執(zhí)行時(shí)間，這樣分立元件設(shè)計(jì)的電路就必須增加其他邏輯芯片來(lái)組合控制，這樣我們就整體增大成本和電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和穩(wěn)定性。 方案二：采用L298驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，L298N 為 SGS-THOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片Dual Full-Bridge Driver ) ，內(nèi)部包含 4 信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng) 2 個(gè)二相或 1 個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個(gè) H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯準(zhǔn)位信號(hào)，可驅(qū)動(dòng) 46V 、 2A 以下的步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)?？紤]到LM298 內(nèi)部輸出端集成了兩路與非門，這樣我們就可以通過(guò)控制ENA 使能端隨時(shí)關(guān)閉任何一路驅(qū)動(dòng)橋的輸入，這樣我們就接著這個(gè)使能端口來(lái)輸入PWM ，這樣我們就可以在兩個(gè)輸入端間 輸入高低電平來(lái)控制我們電機(jī)的正反轉(zhuǎn)從而又能達(dá)到正反相同的速度。方便我們控制電機(jī)?？紤]到LM298有兩組電源和電機(jī)正反轉(zhuǎn)的反向電動(dòng)勢(shì)的影響，為了系統(tǒng)穩(wěn)定考慮我們?cè)贚M298前級(jí)輸入加入光耦隔離器，把電機(jī)電源和電機(jī)反向電動(dòng)勢(shì)隔離，防止回流影響主控制芯片的穩(wěn)定。后級(jí)輸出四個(gè)通道各反向接入兩個(gè)二極管使到正反轉(zhuǎn)電機(jī)回流的保護(hù)。 二、車體運(yùn)動(dòng)分析 利用牛頓定律、能量守恒(拉格朗日方程)都可以建立兩輪小車的模型，但各自有優(yōu)缺點(diǎn)：能量守恒不需要考慮系統(tǒng)中各個(gè)力的相互作用，他們之間的聯(lián)系，不易分析系統(tǒng)在實(shí)際控制中內(nèi)部力對(duì)系統(tǒng)的影響；牛頓定律需要分析每一步中力的相互作用，這樣在建模過(guò)程中變得復(fù)雜，但對(duì)實(shí)際控制來(lái)容易分析每個(gè)變量對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成的影響，便于分系統(tǒng)。本質(zhì)不穩(wěn)定小車大致運(yùn)動(dòng)方式如下： 圖3 ：車體運(yùn)動(dòng)平面圖 圖4：車體運(yùn)動(dòng)方式 當(dāng)車體做直線運(yùn)動(dòng)，其中為小車偏離X軸角度，若果做直線運(yùn)動(dòng)一直不變。小車某一時(shí)刻運(yùn)動(dòng)的位移為，則小車的速度為V=，速度在X、Y方向的分量為： 三、單元電路設(shè)計(jì) 1、 單片機(jī)微控制器電路設(shè)計(jì) ATMEGA16 控制板 2、 LM298電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) LM298電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 3、 角度傳感器電路設(shè)計(jì) SCA61T角度傳感器模塊電路圖 四、軟件系統(tǒng)及算法設(shè)計(jì) 1、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖 2、算法設(shè)計(jì) 　　 方案一： 采用模糊控制算法，　模糊控制具有良好控制效果的關(guān)鍵是要有一個(gè)完善的控制規(guī)則。但由于模糊規(guī)則是人們對(duì)過(guò)程或?qū)ο竽：畔⒌臍w納，對(duì)高階、非線性、大時(shí)滯、時(shí)變參數(shù)以及隨機(jī)干擾嚴(yán)重的復(fù)雜控制過(guò)程，人們的認(rèn)識(shí)往往比較貧乏或難以總結(jié)完整的經(jīng)驗(yàn)，這就使得單純的模糊控制在某些情況下很粗糙，難以適應(yīng)不同的運(yùn)行狀態(tài)，影響了控制效果。常規(guī)模糊控制的兩個(gè)主要問(wèn)題在于：改進(jìn)穩(wěn)態(tài)控制精度和提高智能水平與適應(yīng)能力。在實(shí)際應(yīng)用中，往往是將模糊控制或模糊推理的思想，與其它相對(duì)成熟的控制理論或方法結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮各自的長(zhǎng)處，從而獲得理想的控制效果。由于模糊規(guī)則和語(yǔ)言很容易被人們廣泛接受，加上模糊化技術(shù)在微處理器和計(jì)算機(jī)中能很方便的實(shí)現(xiàn)，所以這種結(jié)合展現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力和良好的效果。對(duì)模糊控制的改進(jìn)方法可大致的分為模糊復(fù)合控制，自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)模糊控制，以及模糊控制與智能化方法的結(jié)合等三個(gè)方面。(1)模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語(yǔ)言型控制規(guī)則，出發(fā)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識(shí)，在設(shè)計(jì)中不需要建立被控對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機(jī)理和策略易于接受與理解，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用。(2)由工業(yè)過(guò)程的定性認(rèn)識(shí)出發(fā)，比較容易建立語(yǔ)言控制規(guī)則，因而模糊控制對(duì)那些數(shù)學(xué)模型難以獲取，動(dòng)態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對(duì)象非常適用。(3)基于模型的控制算法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，由于出發(fā)點(diǎn)和性能指標(biāo)的不同，容易導(dǎo)致較大差異；但一個(gè)系統(tǒng)語(yǔ)言控制規(guī)則卻具有相對(duì)的獨(dú)立性，利用這些控制規(guī)律間的模糊連接，容易找到折中的選擇，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器。(4)模糊控制是基于啟發(fā)性的知識(shí)及語(yǔ)言決策規(guī)則設(shè)計(jì)的，這有利于模擬人工控制的過(guò)程和方法，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一定的智能水平。(5)模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時(shí)變及純滯后系統(tǒng)的控制。 方案二： PID自動(dòng)控制算法，當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。這個(gè)理論和應(yīng)用自動(dòng)控制的關(guān)鍵是，做出正確的測(cè)量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已 有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e (t)與輸出u (t)的關(guān)系為 　　u(t)=kp(e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中積分的上下限分別是0和t。因此它的傳遞函數(shù)為：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s) ，其中kp為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù) 比例（P）控制。比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。積分（I）控制，在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn) 態(tài)誤差。微分（D）控制，在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能 夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在 調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 由于PID 算法的可調(diào)整性比模糊算發(fā)容易有規(guī)律，是一套比較穩(wěn)定的閉環(huán)控制的算法，因此我們最終采用PID 代替模糊控制算法 。五、系統(tǒng)測(cè)試 1、 測(cè)試使用的儀器 1 2 3 示波器 TDS1002B 數(shù)字萬(wàn)用表 DY2103 品勝鎳氫電池4節(jié) 2、測(cè)試結(jié)果 小車在通電狀態(tài)下，能保持平衡，能達(dá)到一分鐘以上。小車在平衡狀態(tài)時(shí)，如果加一外力（注意：不是很大的力），小車仍然能通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)達(dá)到保持平衡的狀態(tài)。能通過(guò)無(wú)線遙控控制其行走，旋轉(zhuǎn)180°和360°，并繼續(xù)保持平衡。但在行走的過(guò)程中小車有些抖動(dòng)，但最終能保持平衡狀態(tài)。 六、總結(jié) 本設(shè)計(jì)制作完成了題目要求的基本部分和發(fā)揮部分的大部分，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。本設(shè)計(jì)有點(diǎn)復(fù)雜，比起用水銀開(kāi)關(guān)來(lái)做難度增加了很多。雖然大部分基本達(dá)到要求，但還是有缺陷，比如小車雖然能保持平衡直立狀態(tài)，但在行走的過(guò)程中仍會(huì)抖動(dòng)。而且本設(shè)計(jì)的調(diào)試也很麻煩，需要經(jīng)過(guò)反復(fù)地調(diào)試后才能達(dá)到平很狀態(tài)。這些都是我們掌握的知識(shí)還不夠廣泛。當(dāng)然如果設(shè)備齊全，時(shí)間允許，比如用自動(dòng)編碼的電位器代替手動(dòng)的，相信會(huì)達(dá)到更好的效果和節(jié)省很多的時(shí)間。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中我們遇到了很多困難，最終得以解決使小車能站起來(lái)，源于我們團(tuán)隊(duì)的密切合作和平時(shí)資料的收集，知識(shí)的積累。當(dāng)然更重要的是持之以恒的精神！

作品圖片

  • 兩輪自平衡小車
  • 兩輪自平衡小車
  • 兩輪自平衡小車

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

作品是好奇與平衡控制，產(chǎn)生兩個(gè)小車的自平衡思想，作品創(chuàng)新點(diǎn)是，結(jié)合角度傳感器和陀螺儀 實(shí)時(shí)的采集系統(tǒng)的狀態(tài)信息，進(jìn)行軟件濾波后，代入先進(jìn)PID 算法 實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的狀態(tài)。

科學(xué)性、先進(jìn)性

作品先進(jìn)性在于通過(guò)MCU 和先進(jìn)的傳感器技術(shù)，實(shí)時(shí)采樣信息，處理信息，響應(yīng)動(dòng)作調(diào)整系統(tǒng)的穩(wěn)定。 軟件部分嵌入了，卡爾曼濾波和PID算法，使得系統(tǒng)更加的穩(wěn)定。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

作品在海南省電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中獲得省一等獎(jiǎng)

作品所處階段

改進(jìn)階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無(wú)

作品可展示的形式

實(shí)物功能展示

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

作品結(jié)合了先進(jìn)的科技手段，實(shí)習(xí)了兩輛自平衡小車，可以為作為交通工具，還可以作為一些智能機(jī)器人的移動(dòng)補(bǔ)助，大大的提高靈活性。市場(chǎng)分析可以作為一個(gè)用戶的交通工具，可以作為一些服務(wù)機(jī)器人的交通工具。經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)，很好。

同類課題研究水平概述

國(guó)內(nèi)外都在這方面具有很高的技術(shù)研究。但作為學(xué)生只是做一個(gè)學(xué)習(xí)的研究，跟著先進(jìn)的科技實(shí)踐自己。
建議反饋 返回頂部