两轮自平衡小车姿态平衡控制系统的研究.doc

两轮自平衡小车姿态平衡控制系统的研究.doc两轮自平衡小车姿态平衡控制系统的研究摘要:两轮自平衡小车姿态平衡控制是一个非线性控制系统,对于控制算法研究,检测技术研究,电机驱动研究等领域有着较深远的影响。本文采用线性二次型最优控制,结合系统建模可实现两轮自平衡小车得到较好的平衡姿态控制,并在仿真中得到验证。关键词:两轮自平衡小车二次型最优控制MPU-6050 中图分类号:TP2文献标识码:A文章编号:1007-9416(2013)02-0010-03 两轮自平衡小车的姿态平衡问题类似于倒立摆的平衡问题。通过调节左轮和右轮的运动速度和运动方向来控制。当车身倾斜时,可通过左右电机产生控制力矩来调节左轮和右轮的运动速度和运动方向,控制左轮和右轮向倾斜方向或倾斜速度方向运动,使其姿态回复直立平衡状态。姿态检测是实现平衡控制需要获得车身状态信息的关键,姿态检测需要姿态检测元件,包括倾角仪、加速度计和陀螺仪。姿态检测元件的选取是影响平衡效果的关键因素。本文所设计的两轮自平衡小车采用的MPU-6050整合了三轴陀螺仪和三轴加速度计,采用ATmega16单片机做控制单元,L298驱动两个直流无刷电机,两个霍尔传感器测电机转速。MPU-6050采集到的角速度和角加速度信息还有霍尔传感器测得的电机转速信息给单片机,单片机处理数据结合PID算法输出PWM给L298控制两个直流电机。两轮自平衡小车控制系统可做为一个实验平台用于研究学习现代控制理论、非线性化处理、角度信号检测及电机驱动控制等技术问题。 1系统结构组成本文设计的两轮自平衡小车控制系统结构组成包括电源、单片机ATmega16、MPU-6050、电机驱动L298、电机和霍尔测速传感器。系统结构框图见图1。 ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16外设特点包括具有两个独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器,一个具有预分频、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器,四通道PWM,两个可编程的串行USART,片内/片外中断源等等。 MPU-6050为全球首例整合6轴运动处理组件,相较于多组件方案,免除了组合陀螺仪与加速度计之间轴差的问题,减少了大量的包装空间。MPU6050整合了3轴陀螺仪和3轴加速度计,并含可籍由第2个I2C端口连接其他厂牌之加速度计、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理硬件加速引擎,由主要I2C端口以单一数据流的形式,向应用端输出完整的9轴融合演算技术。MPU-6050的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec(dps),可准确追踪快速慢速动作,并且用户可程式控制。加速度全格感测范围为±2g、±4g、±8g与±16g。产品数据传输可透过最高至400kHZ的I2C,与单片机接线图见图2。 2系统数学模型两轮自平衡小车是个不稳定系统,车体的倾斜源于重力在水平方向上的分量。小车受力分析图如图3所示,O为质心,水平方向为x,垂直方向为y,为小车的偏角。为了实现平衡效果,小车车轮提供的驱动力必须大于或等于重力在水平轴的分力。两轮自平衡小车的控制输入量为直流电机的电枢电压,被控量为小车的偏角,根据如上分析可得到电机的动态方程: