基于ATMEGA16自平衡小車開題報(bào)告

1、 中 北 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告學(xué) 生 姓 名：學(xué) 號(hào)：學(xué) 院：信息與通信工程學(xué)院專 業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)設(shè)計(jì)題目： 基于ATMEGA16A芯片的自平衡車設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師:2016年 04月 06日畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告1選題依據(jù)：1.1研究目的及意義： 車輛作為一種新型的交通工具，應(yīng)用范圍已經(jīng)越來(lái)越廣泛，幾乎滲透到各個(gè)領(lǐng)域，是一項(xiàng)多學(xué)科理論與技術(shù)集成的機(jī)電一體化技術(shù)。車輛在方便人的出行和貨物的運(yùn)輸?shù)确矫娑硷@示出極大的優(yōu)越性。輪式車輛由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、能量利用率高等特點(diǎn)，已經(jīng)成為車輛研究的重要方向之一1。輪式車輛在工作過(guò)程中可能會(huì)遇到工作區(qū)域狹窄、路面不平、工作環(huán)境復(fù)雜多變、需要

2、經(jīng)常轉(zhuǎn)向的工作場(chǎng)合，如何在這樣的環(huán)境里靈活快捷的完成任務(wù)，使輪式車輛不但能夠適應(yīng)特定的環(huán)境及任務(wù)需求，而且在動(dòng)態(tài)變化的復(fù)雜未知環(huán)境中能夠體現(xiàn)出高度的靈活適應(yīng)性，成為一個(gè)值得重點(diǎn)研究的課題。在這種應(yīng)用背景下兩輪自平衡車應(yīng)運(yùn)而生。兩輪自平衡小車是一個(gè)集動(dòng)態(tài)決策和規(guī)劃、環(huán)境感知、行為控制和執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)，具有較高的學(xué)術(shù)研究意義2。小車具有兩輪共軸、獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、重心位于車輪上方和通過(guò)運(yùn)動(dòng)保持平衡的特點(diǎn)。通過(guò)運(yùn)用加速度傳感器、角速度傳感器、陀螺儀等，可以實(shí)現(xiàn)小車平衡自立3。和傳統(tǒng)的輪式移動(dòng)機(jī)器人相比較，兩輪自平衡小車有著以下優(yōu)點(diǎn)：（1）具有占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，能夠在場(chǎng)地面積很小或者要求靈活運(yùn)

3、輸?shù)膱?chǎng)合上使用；（2）車的結(jié)構(gòu)上有很大的簡(jiǎn)化，可以把車做的更輕更?。唬?）能夠?qū)崿F(xiàn)在原地回轉(zhuǎn)和任意半徑的轉(zhuǎn)向，有更加靈活易變的移動(dòng)軌跡很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)多輪布局的缺點(diǎn)；（4）重心的高度對(duì)小車運(yùn)動(dòng)和硬件設(shè)計(jì)的限制小；（5）有著較小的驅(qū)動(dòng)功率，能夠讓電池長(zhǎng)時(shí)間供電。因?yàn)樘貏e的結(jié)構(gòu)，它對(duì)于地形的變化有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，有著良好的運(yùn)動(dòng)性能，能夠在比較復(fù)雜的環(huán)境里面的工作4。故在解決自平衡的同時(shí)，還能夠適應(yīng)在各種環(huán)境下的控制任務(wù)。因此，兩輪自平衡車有著廣泛的應(yīng)用前景，其典型應(yīng)用包括代步工具、通勤車、緊急服務(wù)、郵件派送、危險(xiǎn)品運(yùn)輸、滅火、高科技玩具、控制理論測(cè)試平臺(tái)等方面。此外，由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控

4、制技術(shù)、電源技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，為兩輪自平衡車技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)并極大的降低了研制成本，有力地推動(dòng)了兩輪自平衡車由理論研究向工程實(shí)踐發(fā)展5。1.2國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀近年來(lái)，兩輪自平衡小車在國(guó)際得到快速的發(fā)展，建立了多個(gè)實(shí)驗(yàn)原機(jī)型，提出來(lái)眾多解決平衡控制的方案，并對(duì)原機(jī)型的自動(dòng)平衡性能與運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了驗(yàn)證。兩輪自平衡小車自問(wèn)世以來(lái)，迅速成為研究各種控制理論的理想平臺(tái)，具有重大的理論意義，這要?dú)w功于她不穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)性能和系統(tǒng)所具有的非線性6。在兩輪自平衡小車的研究上，國(guó)外的專家和愛(ài)好者們?nèi)〉昧艘幌盗械某晒Ｒ韵陆榻B兩個(gè)比較先進(jìn)的平衡小車：由美國(guó)科學(xué)家David.P.Anders

5、on研發(fā)的兩輪自平衡機(jī)器人Nbot（如圖1）基于倒立擺的小型自平衡兩輪車模型，是由HCllrobotcontroller進(jìn)行控制的。圖1 Nbot由瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院工業(yè)電子實(shí)驗(yàn)室的研究人員研制的名為JOE機(jī)器人（如圖2），是由DSP芯片進(jìn)行控制的，它由車架上方所附的重物模擬實(shí)際車中的駕駛者。圖2 JOE機(jī)器人國(guó)內(nèi)兩輪自平衡小車的研究也取得了一定的成就。西安電子科技大學(xué)研究出了兩輪自平衡小車，它是一種兩輪式左右并行布置結(jié)構(gòu)的自平衡系統(tǒng)7。它利用伺服放大器ADS作為控制器，選擇兩個(gè)Maxson電機(jī)作為執(zhí)行元件，采用自適應(yīng)神經(jīng)模糊控制器對(duì)小車這一非線性對(duì)象進(jìn)行大范圍控制，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自平衡。目前，

6、國(guó)內(nèi)研究的最多的雙輪直立自平衡小車是微型處理器作為控制核心，車體傾斜角度檢測(cè)采用加速度傳感器和陀螺儀。利用PWM技術(shù)動(dòng)態(tài)控制兩臺(tái)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速8?；谶@些完備而可靠的硬件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一套獨(dú)特可行的軟件算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小車的平衡控制9。通過(guò)對(duì)兩輪自平衡系統(tǒng)的改造，如使用大功率的電機(jī)、采用大容量的電池，使用堅(jiān)固的材料、更快的cpu、更靈敏的傳感器以及加入控制系統(tǒng)等10，可快速方便的應(yīng)用到眾多環(huán)境中去，如承載 、代步等。目前，市場(chǎng)上有許多平衡車相關(guān)產(chǎn)品，如小米公司9號(hào)平衡車、阿爾郎平衡車等。參考文獻(xiàn)1徐國(guó)華，譚民.移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì)J.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，20012行陽(yáng)陽(yáng).基于模糊PD的兩輪自

7、平衡車的設(shè)計(jì).太原理工大學(xué)機(jī)械工程,20133袁洪躍.自平衡兩輪電動(dòng)車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).重慶大學(xué), 20124 爾桂花,竇曰軒.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).清華大學(xué)出版社,2002 5王效杰.基于變結(jié)構(gòu)控制的兩輪自平衡小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).西安電子科技大學(xué), 20066梅曉榕.自動(dòng)控制元件及線路.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,20047孫泓，屈勝利，劉學(xué)超，栗維克.兩輪不穩(wěn)定小車系統(tǒng)中變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)及改進(jìn).西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,20088 張琛.直流無(wú)刷電機(jī)原理及應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社,20099王光林.兩輪電動(dòng)車自平衡控制算法的研究.華南理工大學(xué)車輛工程,201110袁帥.兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì).北京交通

8、大學(xué),2010畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告2設(shè)計(jì)方案：2.1項(xiàng)目任務(wù)及要求：設(shè)計(jì)一輛兩輪自平衡小車,要求如下:1) 小車在運(yùn)動(dòng)時(shí),僅依靠?jī)奢喚S持自身平衡,與地面不能有第三接觸點(diǎn)。2) 小車能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的自平衡站立(20秒以上)。3) 在偏離平衡位置較大的角度情況下，仍能自動(dòng)快速平衡，偏離角在10°以上。4) 探討實(shí)用化的渠道,并初步給出實(shí)用設(shè)計(jì)方案。2.2項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容：1) 對(duì)小車自身信息的采集，實(shí)現(xiàn)將采集的信息向單片機(jī)進(jìn)行傳送。2) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速的控制3) 設(shè)計(jì)適合單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集信息的處理及對(duì)電機(jī)的控制。4) 兩輪自平衡小車物理實(shí)體

9、的設(shè)計(jì)，各部分硬件間搭建連接。2.3可行性分析：系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示：L298NATMEGA16A電源mpu-6050直流電機(jī)圖3 系統(tǒng)框圖此次設(shè)計(jì)采用ATMEGA16A芯片作為主控芯片，以MPU-6050模塊采集姿態(tài)信息，使用L298N模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)，鋰電池供電。ATmega16A是一種低功耗微控制器CMOS 8-bit關(guān)于加強(qiáng)AVR基礎(chǔ)的RISC 架構(gòu)。通過(guò)執(zhí)行在一個(gè)時(shí)鐘周期，ATmega16A強(qiáng)大的指令實(shí)現(xiàn)吞吐量接近每1 MIPS MHz允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能夠優(yōu)化功耗與處理速度。MPU-6050為全球首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)之軸間差的問(wèn)題

10、，減少了大量的封裝空間。MPU-6050可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測(cè)范圍。MPU-6050可在不同電壓下工作。其他的特征包含內(nèi)建的溫度感測(cè)器、包含在運(yùn)作環(huán)境中僅有±1%變動(dòng)的振蕩器。常用于動(dòng)感測(cè)游戲、現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)、電子穩(wěn)像、行人導(dǎo)航器、“零觸控”手勢(shì)用戶接口、姿勢(shì)快捷方式認(rèn)證。L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線

11、圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。兩輪平衡車姿態(tài)傳感器時(shí)刻監(jiān)測(cè)整個(gè)機(jī)械本體的姿態(tài)信息,并將這些信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)交給控制單元處理?？刂茊卧獙?duì)這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)自平衡算法處理后得到控制電機(jī)的相應(yīng)參數(shù),由這個(gè)參數(shù)計(jì)算出PWM控制信號(hào)去控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路接收到PWM信號(hào),并將小信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率信號(hào),使電機(jī)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)小車的自平衡。2.4進(jìn)度安排： 2月28號(hào) 3月20號(hào) 查找文獻(xiàn)，熟悉課題背景、任務(wù)，撰寫開題報(bào)告。 3月21號(hào) 4月10號(hào) 系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和仿真。 4月11 號(hào) 5 月31號(hào) 制作硬件與編寫程序。 6月01號(hào) 6月8號(hào) 調(diào)試與改進(jìn)。 6月09號(hào) 6月14號(hào) 撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。 6月15號(hào)以后 畢業(yè)論文打印、PPT制作及畢業(yè)答辯準(zhǔn)備。 畢 業(yè) 設(shè)