大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目中期進(jìn)展報(bào)告

1、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目中期進(jìn)展報(bào)告（3000字，小四宋體）項(xiàng)目成員：高超、孫健、虎強(qiáng)、陳偉、張波指導(dǎo)教師：錢煒摘要：這份報(bào)告將簡(jiǎn)要介紹一下我們的獨(dú)輪平衡車的自2014年3月開展到2014年10月期間的進(jìn)展情況和我們做的工作。一、項(xiàng)目成果簡(jiǎn)介：1、為了驗(yàn)證在做實(shí)體之前對(duì)傳感器的使用和芯片編程等有充足的把握，我們已經(jīng)完成了一個(gè)車體模型的測(cè)試工作。2、為了直觀的了解車體的結(jié)構(gòu)和便于讓團(tuán)隊(duì)個(gè)成員加入自己的創(chuàng)意，我們初步設(shè)計(jì)了車體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并用Solidworks建模。二、項(xiàng)目進(jìn)展：項(xiàng)目目前進(jìn)度：我們最初的項(xiàng)目計(jì)劃中的寫的是總共分五步走，現(xiàn)在才剛剛10月下旬，我們已經(jīng)完成了前面三步，其中包括3月-

2、5月完成主控芯片程序設(shè)計(jì)；6月-7月電路設(shè)計(jì)；7月-8月搭建車車模對(duì)電路，程序進(jìn)行測(cè)試；可以說比我們當(dāng)年預(yù)期的進(jìn)度提前了。已經(jīng)取得成果：成果主要有兩方面：一是車體模型測(cè)試，我們主控芯片是采用飛思卡爾的k60系列芯片，JTAG下載器，角度傳感器，直流電機(jī)，2600mah的鋰電池，L7805穩(wěn)壓芯片，BTN7971B電機(jī)驅(qū)動(dòng)。測(cè)試說明程序和電路的可行性，初步驗(yàn)證了理想的方案的可行性。具體設(shè)計(jì)方案如下：1、車模的平衡控制原理：當(dāng)車體垂直時(shí)，車輪保持靜止，車體向左傾斜時(shí)，車輪向左加速運(yùn)行，車體向右傾斜時(shí)，車輪向右加速運(yùn)行。直立的車?？梢钥闯墒欠胖迷诳梢宰笥乙苿?dòng)平臺(tái)上的倒立擺的單擺。普通單擺能夠穩(wěn)定在垂

3、直位置的條件有兩個(gè)：（1）受到與位移（角度）相反的恢復(fù)力；（2）受到與運(yùn)動(dòng)速度（角速度）相反的阻尼力。如果沒有阻尼力，單擺會(huì)在垂直位置左右擺動(dòng)。阻尼力會(huì)使單擺最終停止在垂直位置。阻尼力過小（欠阻尼）會(huì)使單擺在平衡位置附近來回震蕩。阻尼力過大（過阻尼）會(huì)使單擺達(dá)到平衡位置的時(shí)間加長。因而存在一個(gè)臨界阻尼系數(shù)，是得單擺穩(wěn)定在平衡位置的時(shí)間最短。倒立擺之所以不能像單擺一樣穩(wěn)定在垂直位置，就是因?yàn)樗谄x平衡位置的時(shí)候，所受到的恢復(fù)力與位移的方向相同，而不是相反，因此，倒立擺會(huì)加速偏離垂直位置，直至倒下。為了通過控制使得倒立擺能夠像單擺一樣穩(wěn)定在垂直位置，需要增加額外的受力，使得恢復(fù)力與位移方向相反才

4、行。該力與車輪的加速度的方向相反，大小成正比。為了是倒立擺盡快在垂直位置穩(wěn)定下來，還需要增加阻尼力，增加的阻尼力與偏角的速度成正比，方向相反。綜上可以得到車輪控制速度的算法為：a=k1G+k2O;式中0為車模傾角，G為角速度，k1，k2均為比例系數(shù)。K1決定了車模是否能夠穩(wěn)定在垂直位置，它必須大于中立加速度，k2決定了車?；氐酱怪蔽恢玫淖枘嵯禂?shù)，選取合適的阻尼系數(shù)可以讓車模盡快穩(wěn)定在垂直位置。車模的加速度是通過控制車輪速度實(shí)現(xiàn)的，車輪通過車模因此兩個(gè)可以通過電機(jī)加速度的控制實(shí)現(xiàn)車模平衡穩(wěn)定。電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制是通過改變施加在其上的驅(qū)動(dòng)電壓大小實(shí)現(xiàn)的。電機(jī)的運(yùn)動(dòng)分為兩個(gè)階段，第一個(gè)是加速階段，第二個(gè)

5、是恒速階段。在加速階段，電機(jī)帶動(dòng)車模進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)，加速度和施加在電機(jī)上的電壓成正比。在恒速階段，電機(jī)帶動(dòng)車模后輪進(jìn)行恒速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行速度與施加在電機(jī)上的電壓成正比。調(diào)整車模角度的控制周期很短，時(shí)間一般是幾個(gè)毫秒，此時(shí)電機(jī)基本運(yùn)動(dòng)在家階段，計(jì)算得到加速度控制量a在乘上比例系數(shù)即為施加在電機(jī)上的控制電壓，這樣便可以控制車模保持直立狀態(tài)。加速度傳感器MMA761可以測(cè)量由地球引力作用或者物體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的加速度，只需測(cè)量其中一個(gè)方向上的加速度值，皆可以計(jì)算出車模的傾角，比如使用z軸方向上的加速度信號(hào)。車模直立時(shí)，固定在加速度在z軸水平方向，此時(shí)輸出信號(hào)為0片區(qū)內(nèi)壓信號(hào)。當(dāng)車模發(fā)生傾斜=時(shí)，重力加速度g便會(huì)

6、在z軸方向上新城加速度分量，從而引起該軸輸出電壓的變化。但是在實(shí)際車模運(yùn)動(dòng)中，由于車模本身的擺動(dòng)所產(chǎn)生的加速度會(huì)產(chǎn)生很大的干擾信號(hào)，它疊加在測(cè)量信號(hào)匯總使得輸出信號(hào)無法準(zhǔn)確反映車模的傾角。加速度傳感器安裝的高度越低越好，但是無法徹底消除車模運(yùn)送的影響。角速度傳感器利用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的物體會(huì)受到科里奧利力的原理可以用來測(cè)量物體的旋轉(zhuǎn)角速度，通過積分便可以得到車模的傾角。由于陀螺儀輸出的是車模的角速度，不會(huì)收銀島車體運(yùn)動(dòng)的影響，因此該信號(hào)中噪聲很小。車模的角度又是通過對(duì)角速度積分而得，這可進(jìn)一步平滑信號(hào)，從而使得角度信號(hào)更加穩(wěn)定。因此車?？刂扑枰慕嵌群徒撬俣瓤梢允褂猛勇輧x所得到的信號(hào)。但是由于從

7、陀螺儀角速度獲得角度信息，需要經(jīng)過積分運(yùn)算。如果角速度信號(hào)存在微小的偏差和漂移，經(jīng)過積分運(yùn)算之后，變化形成積累誤差。這個(gè)誤差會(huì)隨著時(shí)間延長逐步增加，最終導(dǎo)致電路飽和，無法形成正確的角度信號(hào)。一種簡(jiǎn)單的方法就是通過上面的加速度傳感器獲得的角度信息對(duì)此進(jìn)行校正。通過對(duì)比積分所得到的角度與重力加速度所得到的角度，使用它們之間的偏差改變陀螺儀的輸出，從而積分的角度足部跟蹤到加速度傳感器所得到的角度。二是實(shí)體車體的Solidworks模型，這個(gè)參考了市場(chǎng)上已有車型的結(jié)構(gòu)和自己的創(chuàng)意，這只是機(jī)械機(jī)構(gòu)的初步模型，是為了讓組員能夠方便的交流自己的想法和加入自己的創(chuàng)意。車輪采用普通的電動(dòng)車的后輪，電機(jī)與車輪一體

8、，減少的空間；車座的支撐桿垂直地面，下端連接著可以折疊的腳踏板，上面是可以根據(jù)使用者身高自由調(diào)節(jié)的車座；把手的連桿下端與車座的支撐桿下端同軸相連，兩個(gè)支撐桿之間通過兩個(gè)絞和連桿連接，因此把手可以繞車軸自由旋轉(zhuǎn)。當(dāng)不使用車時(shí)，把手可以向車座旋轉(zhuǎn)，便于放置和搬運(yùn)，使用車時(shí)，可以方便將把手放下。存在的問題:現(xiàn)在存在的問題是：程序方面，程序還需要進(jìn)一步優(yōu)化，采用更好的算法。這體現(xiàn)在車體模型雖然能夠正常通過兩個(gè)輪子站立起來，但是車體抖動(dòng)得非常的厲害，還有抗干擾性的能力非常弱，一旦有較大的干擾時(shí)，車體便會(huì)倒下；傳感器方面：傳感器的性能不是很好，可能需要更換傳感器，選取性能更佳的傳感器。電路方面：穩(wěn)壓元件的

9、發(fā)熱過度，還需要優(yōu)化電路。后期計(jì)劃：后期我打算做一個(gè)獨(dú)輪模型，先前的是兩輪模型，主要為了測(cè)試我們對(duì)傳感器的掌握情況，獨(dú)輪模型將更加接近最后的實(shí)體結(jié)果，電路和傳感器各方面的配合也會(huì)更加實(shí)體車的結(jié)果，所以這個(gè)還有利于我們根據(jù)模型車的狀況對(duì)實(shí)體模型的做進(jìn)一步的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，這個(gè)我估計(jì)需要兩個(gè)月來完成，因?yàn)榧夹g(shù)難度比較大。這項(xiàng)工作完成后我們就可以大約在11月份下旬正式開始做車的實(shí)體模型。（包括：項(xiàng)目目前進(jìn)度、已經(jīng)取得成果、預(yù)期完成情況、存在的問題、后期計(jì)劃等。）三、主要參考文獻(xiàn)（5個(gè)以內(nèi)）機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)王新華主編-化學(xué)工業(yè)出版社嵌入式原理與實(shí)踐-ARMCoretex-M4Kinetis微控制器王宜懷，吳瑾，蔣銀珍編著-電子工業(yè)出版社電子設(shè)計(jì)從零開始（第二版）楊欣，萊諾克斯，王玉