基于ATMEGA16自平衡小車開題報告

1、 中 北 大 學畢業(yè)設計開題報告學 生 姓 名：學 號：學 院：信息與通信工程學院專 業(yè)：電子信息科學與技術設計題目： 基于ATMEGA16A芯片的自平衡車設計指導教師:2016年 04月 06日畢 業(yè) 設 計 開 題 報 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，應用范圍已經越來越廣泛，幾乎滲透到各個領域，是一項多學科理論與技術集成的機電一體化技術。車輛在方便人的出行和貨物的運輸?shù)确矫娑硷@示出極大的優(yōu)越性。輪式車輛由于具有結構簡單、成本低、能量利用率高等特點，已經成為車輛研究的重要方向之一1。輪式車輛在工作過程中可能會遇到工作區(qū)域狹窄、路面不平、工作環(huán)境復雜多變、需要

2、經常轉向的工作場合，如何在這樣的環(huán)境里靈活快捷的完成任務，使輪式車輛不但能夠適應特定的環(huán)境及任務需求，而且在動態(tài)變化的復雜未知環(huán)境中能夠體現(xiàn)出高度的靈活適應性，成為一個值得重點研究的課題。在這種應用背景下兩輪自平衡車應運而生。兩輪自平衡小車是一個集動態(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)，具有較高的學術研究意義2。小車具有兩輪共軸、獨立驅動、重心位于車輪上方和通過運動保持平衡的特點。通過運用加速度傳感器、角速度傳感器、陀螺儀等，可以實現(xiàn)小車平衡自立3。和傳統(tǒng)的輪式移動機器人相比較，兩輪自平衡小車有著以下優(yōu)點：（1）具有占地面積小的優(yōu)點，能夠在場地面積很小或者要求靈活運

3、輸?shù)膱龊仙鲜褂?；?）車的結構上有很大的簡化，可以把車做的更輕更??；（3）能夠實現(xiàn)在原地回轉和任意半徑的轉向，有更加靈活易變的移動軌跡很好地彌補了傳統(tǒng)多輪布局的缺點；（4）重心的高度對小車運動和硬件設計的限制小；（5）有著較小的驅動功率，能夠讓電池長時間供電。因為特別的結構，它對于地形的變化有很強的適應能力，有著良好的運動性能，能夠在比較復雜的環(huán)境里面的工作4。故在解決自平衡的同時，還能夠適應在各種環(huán)境下的控制任務。因此，兩輪自平衡車有著廣泛的應用前景，其典型應用包括代步工具、通勤車、緊急服務、郵件派送、危險品運輸、滅火、高科技玩具、控制理論測試平臺等方面。此外，由于微電子技術、計算機技術、控

4、制技術、電源技術、驅動技術、傳感器技術的不斷進步，為兩輪自平衡車技術提供了堅實的理論基礎并極大的降低了研制成本，有力地推動了兩輪自平衡車由理論研究向工程實踐發(fā)展5。1.2國內外的發(fā)展現(xiàn)狀近年來，兩輪自平衡小車在國際得到快速的發(fā)展，建立了多個實驗原機型，提出來眾多解決平衡控制的方案，并對原機型的自動平衡性能與運動特性進行了驗證。兩輪自平衡小車自問世以來，迅速成為研究各種控制理論的理想平臺，具有重大的理論意義，這要歸功于她不穩(wěn)定的動態(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，國外的專家和愛好者們取得了一系列的成果。以下介紹兩個比較先進的平衡小車：由美國科學家David.P.Anders

5、on研發(fā)的兩輪自平衡機器人Nbot（如圖1）基于倒立擺的小型自平衡兩輪車模型，是由HCllrobotcontroller進行控制的。圖1 Nbot由瑞士聯(lián)邦技術學院工業(yè)電子實驗室的研究人員研制的名為JOE機器人（如圖2），是由DSP芯片進行控制的，它由車架上方所附的重物模擬實際車中的駕駛者。圖2 JOE機器人國內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構的自平衡系統(tǒng)7。它利用伺服放大器ADS作為控制器，選擇兩個Maxson電機作為執(zhí)行元件，采用自適應神經模糊控制器對小車這一非線性對象進行大范圍控制，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的自平衡。目前，

6、國內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，車體傾斜角度檢測采用加速度傳感器和陀螺儀。利用PWM技術動態(tài)控制兩臺直流電機的轉速8?；谶@些完備而可靠的硬件設計，設計出一套獨特可行的軟件算法，實現(xiàn)了對小車的平衡控制9。通過對兩輪自平衡系統(tǒng)的改造，如使用大功率的電機、采用大容量的電池，使用堅固的材料、更快的cpu、更靈敏的傳感器以及加入控制系統(tǒng)等10，可快速方便的應用到眾多環(huán)境中去，如承載 、代步等。目前，市場上有許多平衡車相關產品，如小米公司9號平衡車、阿爾郎平衡車等。參考文獻1徐國華，譚民.移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢J.機器人技術與應用，20012行陽陽.基于模糊PD的兩輪自

7、平衡車的設計.太原理工大學機械工程,20133袁洪躍.自平衡兩輪電動車控制系統(tǒng)設計.重慶大學, 20124 爾桂花,竇曰軒.運動控制系統(tǒng).清華大學出版社,2002 5王效杰.基于變結構控制的兩輪自平衡小車系統(tǒng)設計與實現(xiàn).西安電子科技大學, 20066梅曉榕.自動控制元件及線路.哈爾濱工業(yè)大學出版社,20047孫泓，屈勝利，劉學超，栗維克.兩輪不穩(wěn)定小車系統(tǒng)中變結構控制器的設計及改進.西安電子科技大學機電工程學院,20088 張琛.直流無刷電機原理及應用.機械工業(yè)出版社,20099王光林.兩輪電動車自平衡控制算法的研究.華南理工大學車輛工程,201110袁帥.兩輪自平衡機器人系統(tǒng)的設計.北京交通

8、大學,2010畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告2設計方案：2.1項目任務及要求：設計一輛兩輪自平衡小車,要求如下:1) 小車在運動時,僅依靠兩輪維持自身平衡,與地面不能有第三接觸點。2) 小車能實現(xiàn)長時間穩(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，仍能自動快速平衡，偏離角在10以上。4) 探討實用化的渠道,并初步給出實用設計方案。2.2項目研究內容：1) 對小車自身信息的采集，實現(xiàn)將采集的信息向單片機進行傳送。2) 電機驅動電路的設計，實現(xiàn)對電機轉向及轉速的控制3) 設計適合單片機最小系統(tǒng)設計，實現(xiàn)對采集信息的處理及對電機的控制。4) 兩輪自平衡小車物理實體的設計，各部

9、分硬件間搭建連接。2.3可行性分析：系統(tǒng)的總體設計框圖如圖3所示：L298NATMEGA16A電源mpu-6050直流電機圖3 系統(tǒng)框圖此次設計采用ATMEGA16A芯片作為主控芯片，以MPU-6050模塊采集姿態(tài)信息，使用L298N模塊驅動電機，鋰電池供電。ATmega16A是一種低功耗微控制器CMOS 8-bit關于加強AVR基礎的RISC 架構。通過執(zhí)行在一個時鐘周期，ATmega16A強大的指令實現(xiàn)吞吐量接近每1 MIPS MHz允許系統(tǒng)設計師能夠優(yōu)化功耗與處理速度。MPU-6050為全球首例整合性6軸運動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少了大量

10、的封裝空間。MPU-6050可準確追蹤快速與慢速動作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測范圍。MPU-6050可在不同電壓下工作。其他的特征包含內建的溫度感測器、包含在運作環(huán)境中僅有1%變動的振蕩器。常用于動感測游戲、現(xiàn)實增強、電子穩(wěn)像、行人導航器、“零觸控”手勢用戶接口、姿勢快捷方式認證。L298N是ST公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏

11、輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅動電機，該芯片可以驅動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅動兩臺直流電機。兩輪平衡車姿態(tài)傳感器時刻監(jiān)測整個機械本體的姿態(tài)信息,并將這些信息轉換為數(shù)字電信號交給控制單元處理。控制單元對這些數(shù)據(jù)經過自平衡算法處理后得到控制電機的相應參數(shù),由這個參數(shù)計算出PWM控制信號去控制電機的轉速和轉向。電機驅動電路接收到PWM信號,并將小信號轉換為驅動電機的功率信號,使電機輸出相應的轉速,實現(xiàn)小車的自平衡。2.4進度安排： 2月28號 3月20號 查找文獻，熟悉課題背景、任務，撰寫開題報告。 3月21號 4月10號 系統(tǒng)分析、設計和仿真。 4月11 號 5 月31號 制作硬件與編寫程序。 6月01號 6月8號 調試與改進。 6月09號 6月14號 撰寫畢業(yè)設計論文。 6月15號以后 畢業(yè)論文打印、PPT制作及畢業(yè)答辯準備。 畢 業(yè) 設 計