单轴双轮自平衡代步车的研究与设ｉ－ｌ＂Ｊ．Ｃ．Ｚｈａｎｇ２００９系统中，主程序循环周期约为３０ｍｓ，经多次实验，在ｆ＝１．５ｓ可获得最佳平衡效果，此时口舭＝０．９８，ａａｃｃｅ＝０．０２。滤波算法程序如下：ａｎｇｌｅ＝Ｏ．９８?（ａｎｇｌｅ＋ＧｙｒｏＶｅｌ簟（ｆｌｏａｔ）ｄｔ奎０．００００００１３６）；＋＝ＡｎｇｌｅＡｃｃｅ?０．０２；ａｎｇｌｅ４．２．３ＰＩＤ算法模块和电机驱动模块系统采用变积分的ＰＩＤ控制算法，分别以５。和ｌＯ。作为积分临界点。ＰＩＤ模块部分程序流程如图４．２所示。图４．２变积分ＰＩＤ控制方法程序框图主要程序如下：ｉｆ（（ａｎｇｌｅ＞－５）＆＆（ａｎｇｌｅ＜５））ａｎｇｌｅｊ＋＝ａｎｇｌｅ；ｅｌｓｅｉｆ（（ａｎｇｌｅ＞－１０）＆＆（ａｎｇｌｅ＜＝?５））单轴双轮自平角代步车的磅究与设诗Ｊ．ＣＺｈａｎ９２００９Ａｎｇｌｅｊ＋＝（１０＋Ａｎｇｌｅ）／５事Ａｎｇｌｅ；ｅｌｓｅｉｆ（（Ａｎｇｌｅ＞＝５）＆＆（Ａｎｇｌｅ＜１０））Ａｎｇｌｅｊ＋＝（１０－Ａｎｇｌｅ）／５幸Ａｎｇｌｅ；ｅｌｓｅＡｎｇｌｅｊ＋＝０；Ａｎｇｌｅｄ＝Ａｎｇｌｅ－Ａｎｇｌｅ＿ｌａｓｔ；ＰＷＭ—ＰＲＥ＝（ＫＤ宰ＡｎｇｌｅＤ＋ＫＰ?ａｎｇｌｅ＋ＫＩ掌Ａｎｇｌｅｄ；其中ａｎｇｌｅ是车体角度估计值，ＡｎｇｌｅＤ为角度微分量，ＡｎｇｌｅＩ为角度积分量，ＫＤ为微分系数，Ⅺ为积分系数，ＫＰ为比例系数。４．２．４系统软件保护程序在由单片机构成的微型计算机系统中，由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰，造成程序的跑飞，而陷入死循环，程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统无法继续工作，会造成整个系统的陷入停滞状态，发生不可预料的后果，所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑，便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片，俗称“看门狗”，可使单片机在无人状态下实现连续工作。看门狗，又叫ｗａｔｃｈｄｏｇｔｉｍｅｒ，是一个定时器电路，一般有一个输入，叫喂狗，一个输出到ＭＣＵ的ＲＳＴ端，ＭＣＵ正常工作的时候，每隔一段时间输出一个信号到喂狗端，给ＷＤＴ清零，如果超过规定的时间不喂狗（一般在程序跑飞时），ＷＤＴ定时超过，就会给出一个复位信号到ＭＣＵ，使ＭＣＵ复位，防止ＭＣＵ死机。看门狗的作用就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。在系统运行以后也就启动了看门狗的计数器，看门狗就开始自动计数，如果到了一定的时间还不去清看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位。所以在使用有看门狗功能的芯片时要注意清看门狗。在主程序的运行过程中，我们要在定时时间到之前对定时器进行复位。如果出现死循环，或者说ＰＣ指针不能回来，那么定时时间到后就会使单片机复位。本系统中采用软件看门狗技术，它是用软件的方法实现看门狗的功能。用定时器来对主程序的运行进行监控。对定时器设定一定的定时时间，当产单轴双轮自平撬代步车的矾究与设计Ｊ．Ｃ２孙ｎｇ２００９生定时中断的时候对一个变量进行赋值，而这个变量在主程序运行的开始已经有了一个初值，设定的定时值要小于主程序的运行时间，这样在主程序的尾部对变量的值进行判断，如果值发生了预期的变化，就说明定时器中断正常，如果没有发生变化则使程序复位。４．３系统实际测试分析简易互补滤波的效果可以通过图４．３得到一个十分直观的认识。图中横轴为时间轴，纵轴为角度轴。在实际完成的代步车样机系统中，主程序循环周期约为３０ｍｓ，经多次实验，在百＝１．Ｓｓ可获得最佳平衡效果，此时口胛＝０．９８，ａａ勰＝Ｏ．０２。图４．３是根据实际测试中得到的数据绘制而成。惫度／。２００ｉ≮≮适Ａ歹速?＿互补冀波９１０ｗ时间／ｓ１３－２０一陀毒衮电位计图４．３基于互补滤波的传感器数据融合曲线图从图４．３可以看到，随着检测系统工作时间的增长，陀螺仪积分得到的角度值逐渐偏离真实角度值，尤其在大角度时更加明显，这是陀螺仪积分的漂移造成的；加速度计输出的角度值在有些地方存在快速的微小波动，这增加了姿态检测的不稳定性。采用简易互补滤波对两传感器进行数据融合后，两个问题都得到了较好的解决，滤波后的角度估计值已十分接近由电位计测量得到的真实角度值，角度曲线也变得平滑了。可见，该滤波方法非常有效地融合了两个传感器的数据。单轴双轮自甲衡代步车的研究ｓ设计ＪＣ．Ｚｈａｎｇ２００９５结束语单轴双轮自平衡代步车是轮式移动机器人的重要分支，也是一种全新的、有着重大理论变革的代步工具。由于它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性，因而对其进行研究具有重要的理论和实践意义。而代步车结构简单、移动轨迹灵活易变等优点，使其在场地面积较小或要求灵活运输的场合十分适用，作为一款节能环保的电动车，也为未来环保轻型车的发展提供了一种新的思路。本文以单轴双轮自平衡系统为研究对象，对其传感器、传感器数据融合方法、系统控制器、ＰＩＤ电机控制算法等进行了研究。本文主要完成了以下工作：１）对系统中用到的惯性传感器陀螺仪和加速度计进行了详细介绍，并分别对其采样所得数据进行了分析，通过简易互补滤波算法进行了数据融合，得到一个最优的车体姿态近似值；２）对ＰＩＤ控制方法进行了详细的研究和介绍，把变积分ＰＩＤ控制方法应用在自平衡车系统中，有效的改善了电机控制的效果，为实现系统的稳定控制做好了准备；３）详细介绍了控制器的硬件设计和软件设计，分析了各个控制模块的具体功能及其实现方法；４）通过系统的实际测试应用，表明运用互补滤波算法对传感器进行数据融合所得到的结果是切实有效的，明显提高了动态环境下的姿态检测精度，以达到整车系统精确控制的要求。４ｌ学轴双轮自甲筏代步车的研究与设ｉｔ－Ｊ．Ｃ．Ｚｈａｎｇ２００９参考文献【ｌ】袁泽睿．两轮自平衡机器人控制算法的研究．哈尔滨工业大学工学硕士学位论文．２００６．６：２～ｌ５［２】陈亮．差速转向轮式移动机器入的导航信号检测与定位研究．西安理上大学硕士学位论文．２００５：３－－－４【３】徐国华，谭民。移动机器人的发展现状及其趋势．机器人技术与应用。２００１．３：１～２【４】黄永志，陈卫东．两轮移动机器人运动控制系统的设计与实现．机器人２００４，２６（１）：４０～４４．【５】李红美，李智，高飞．平衡的杰作一赛格威ＨＴ两轮平台电动车．电器１二业，２００２，６：１９－－－２１．［６】曹彬．数字式ＰＩＤ控制算法在直流无刷电机中的应用．江苏电器．２００７增刊：ｌ＂－２【７】高勇，周忠海，张锡阳，廉月仙，张照文．ＰＩＤ算法在直线电动机控制中的应用研究．中国水运．第５卷第３期２００７年３月：２～３【８】陶永华．智能控制技术与应用．【Ｍ】．基础自动化．１９９７．４．３．【９】山田博著小型精密电机的基础和应用．北京：机械工业出版社．１９８８．【ｌＯ】祝轩，侯榆青，彭迸业，李岩，吴涛．基于单神经元ＰＩＤ控制器的闭环控制系统．西北大学学报（自然科学版）．２００４年８月第３４卷第４期：ｌ～３【ｌｉ】ＫｉｍＧａｕｅｎ，ＪａｄｅＡｌｂｅｒｋｒａｃｋ．ＴｈｒｅｅｐｉｅｃｅｓｏｌｕｔｉｏｎｆｏｒｂｍｓｈｌｅｓｓｍｏｔｏｒｃｏｍｒｏｌｔｅｒｄｅｓｉｇｎＥＪ３．【１２】赵杰，王晓宇，秦勇，蔡鹤皋．基于ＵＫＦ的两轮自平衡机器人姿态最优估计研究．机器人，２００６年１１月．第２８卷第６期：１～３【１３】陈杨钟，刘十荣，俞金寿．基于非线性滤波的移动机器人位姿估计．华东理工大学学报（自然科学版）．２００７年８月：ｌ～３【１４】毕贞法，邓宗全．两轮并列式月球车的性能及其稳定性分析．哈尔滨工程大学学报．第２７卷第４期２００６年８月：２～３ｆ１５】王玫，王永泉，张炎华。自适应滤波器在微型姿态确定系统中的应用．哈尔滨商业大学学报（自然科学版）．第２２卷第２期２００６年４月：２～３【１６】ＳＨＵＳＴＥＲＭＤ．ＡｓｕｒｖｅｙｏｆＡｔｔｉｔｕｄｅＲｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ［Ｊ】．ｔｈｅｊｏｕｍａｌｏｆｔｈｅＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅ，１９９３，４ｌ（４）：４３９－５１７．【１７】ＹＡＮＧＹ．ＴｉｇｈｔｌｙＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＡｔｔｉｔｕｄｅＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄｓｆｏｒＬｏｗ２ＣｏｓｔｌｎｅｒｔｉａｌＮａｖｉｇａｔｉｏｎ；Ｔｗ０２ＡｎｔｅｎｎａＧＰＳａｎｄＧＰＳＰＭａｇｎｅｔｏｍｅ２ｔｅｒ【Ｄ】．Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ：Ｄｅｐｔ．ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣａｌｉｆｏｒｎｉａ，Ｒｉｖｅｒｓｉｄｅ，ＣＡＪｕｎｅ，２００１．［１８】杨理践，尹增亮，高松巍．组合导航系统在管道地理位置测量中的应用．沈阳工业大学学报．第２８卷第４期２００６年８月：２～３【１９】胡寿松．自动控制原理【Ｍ】．北京：国防Ｉ：业出版社．２００１４３
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