毕业论文-视觉导航智能车姿态控制系统设计与实现

1、杨云鹏：视觉导航智能车姿态控制系统设计与实现毕业设计（论文） 题 目 视觉导航智能车姿态 控制系统设计与实现专 业 自动化 班 级 自 115 学 生 指导教师 2015 年 视觉导航智能车姿态控制系统设计与实现摘 要近年两轮自平衡电动车得到了很大的发展，因为其具有灵活、便利、节能等特点。全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛中的摄像头平衡组比赛要求是：让智能车模仿两轮电动平衡车的运行方式，让智能车仅用两个后轮驱动实现直立行走。 本课题以第九届全国大学生“飞思卡尔杯”智能汽车竞赛为背景，使用IAR编程软件对直立智能车进行软件开发。本文详细论述了智能车的各个模块的工作原理、电路图、机械安装以及控制算法。其中详细的开发过程，以及期间碰到的各种问题和解决方法都在文中有详细的论述。本系统采用飞思卡尔公司K60单片机作为主控芯片，使用陀螺仪和加速度传感器采集角度信息，光电码盘采集速度信息，分别作为角度反馈和速度反馈，再结合PID控制算法，控制两个电机的转速，最终实现智能车能够直立并能够实现按预期的速度向前运行。关键字：智能车，直立控制，陀螺仪，加速度传感器，K60单片机AbstractIn rec

2、ent years, two self-balancing electric vehicle has been great development, because it is flexible, convenient, energy-saving features. National College Student Freescale Cup smart car race in the camera balance group competition requirements is: Let the smart car to imitate two electric counterbalance vehicle operating mode, make the smart car with only two rear-wheel drive to achieve walk upright.In this paper Ninth National University Freescale Cup Smart Car race background, using the IAR prog

3、ramming software for intelligent vehicle upright for software development. This paper discusses in detail the working principle of each module smart car, schematics, mechanical installation and control algorithms. Which details the development process, as well as a variety of problems and solutions encountered during are discussed in detail in the text.The system uses Freescale K60 MCU as the master chip, using a gyroscope and an accelerometer sensor angle information collection, information gat

4、hering speed optical encoder, respectively, as the angle feedback and velocity feedback, combined with PID control algorithm to control two motors speed, and ultimately achieve smart car can stand and be able to achieve speeds forward as expected.Keywords: smart car, upright control, gyroscope, accelerometer, K60 MCU西安理工大学本科生毕业设计（论文）目 录第1章 绪论11.1 课题背景概述11.2 本文主要工作内容2第2章 视觉导航智能车姿态控制系统总体方案设计32.1 系统总体方案简介32.2 硬件方案32.3 软件方案42.4 本章小结5第3章 视觉导航智能车姿态控制系统硬件设计63.1 车模安装63.1.1 电池安装83.1.2 主控板安装83.1.3 陀螺仪及加速度

5、传感器安装93.1.4 光电码盘的安装93.2系统电路原理图设计103.2.1 K60最小系统电路103.2.2 电源稳压电路133.2.3 电机驱动电路143.2.4 陀螺仪加速度传感器电路163.2.5 光电码盘测速电路163.3 系统电路PCB设计183.4 本章小结19第4章 视觉导航智能车姿态控制系统软件设计204.1 软件整体框架204.2 所用模块设计214.2.1 时钟模块224.2.2 FTM模块234.2.3 PIT模块234.2.4 AD模块244.3 控制算法设计254.3.1 直立控制254.3.2 速度控制314.4 本章小结32第5章 视觉导航智能车姿态控制系统调试335.1 调试工具简介335.2 调试方法与步骤355.2 调试结果37第6章 总结与展望396.1 总结396.2 展望39致 谢40参考文献41附录：部分程序代码43I第1章 绪论1.1 课题背景概述近年两轮自平衡电动车得到了很大的发展，因为其具有灵活、便利、节能等特点。两轮自平衡电动车是一个高度不稳定的系统，它的动力学方程是时变、耦合、不稳定、多变量的非线性高阶方程，而且其运动方程非完整

6、性约束，需要完成的控制任务具有多重性，因此，两轮自平衡电动车是一个复杂的控制系统，给经典控制理论带来了很大的挑战。可以检验各种控制方法的优劣。可以使用两轮自平衡电动车进行不确定性系统控制、非线性系统控制、自适应控制、智能控制等研究。全国大学生“飞思卡尔杯”智能汽车竞赛中的摄像头平衡组比赛是要让智能车模仿两轮电动平衡车的运行方式，让智能车仅用两个后轮驱动实现直立行走。飞思卡尔智能车大赛平衡组作为两轮电动平衡车的简化版应运而生，智能汽车竞赛组委会在2012年电磁组直立行走的基础上规定2013年摄像头平衡组车模直立行走。这项新的改动带来挑战的同时也给参赛队伍带来了新的动力。 在车模直立行走比赛中，车模的倾角和角速度是控制车模直立控制的关键。一般测量角度信息采用两种传感器：加速度传感器或陀螺仪。加速度传感器可以用来测量车模的角度信息，但在实际车模运行过程中，车模会产生很大的摆动，对倾角信息测量带来干扰，它叠加在上述测量信号上使得输出信号无法准确反映车模的倾角。陀螺仪用来测量角速度，再将测到的角速度进行积分得到车模的倾角。由于陀螺仪输出的是车模的角速度，不会受到车体运动的影响，因此该信号中噪声很

7、小。因此对于车模直立控制所需要的倾角信息需要通过角速度传感器即陀螺仪来得到。因此，本次设计对基于陀螺仪的视觉导航智能车姿态控制系统进行研究。通过该课题本人学会了运用数学基础知识，建立系统模型，并进行分析，查阅相关中英文文献，了解本课题前沿发展动态，熟练的使用各种仪器(万用表、示波器)对实验结果进行分析，主动学习新的理论知识。 1.2 本文主要工作内容（1）明确视觉导航智能车姿态控制系统设计与实现设计要求，本次设计对基于加速度传感器-陀螺仪的视觉导航智能车姿态控制系统进行研究； （2）确定视觉导航智能车姿态控制系统的总体设计方案，本系统将以加速度传感器、陀螺仪作为检测元件，将其输出由AD输入到K60单片机中，由K60单片机处理并输出控制信号，控制电机的驱动模块，进而控制电机的加速度，实现小车的直立行走； （3）设计视觉导航智能车姿态控制系统的硬件电路及机械结构，整个智能车硬件是由三部分组成的：K60最小系统板、主控板、电机驱动电路板； （4）设计并实现车模直立行走控制算法，本系统将采用PD角度闭环，PI速度闭环控制。要使智能车能够平稳快速地运行，需要有高效稳定的控制算法对车模速度进行闭环

8、反馈控制，于是打算使用经典PI 控制算法，配合使用理论计算和实际参数补偿的办法即可消除外界各种因素的影响，使得车模运行的更稳定。 第2章 视觉导航智能车姿态控制系统总体方案设计智能车是一个软硬件结合的控制系统，只有软件和硬件完美结合的情况下，才能达到预期的控制目标。2.1 系统总体方案简介本系统的总体方案为：陀螺仪和加速度传感器采集角度信息，使用K60单片机的ADC模块将采集到的数据进行数模转换。再使用K60单片机的FTM模块采集光电码盘的脉冲数，使用互补滤波算法，经加速度传感器和陀螺仪采集到的角度信息进行滤波融合，最终得到需要的倾角信息 ，将K60单片机采集到的脉冲数进行转换后变为“转/秒”作为速度反馈，通过角度PD控制算法和速度PI算法实现直立控制和速度控制。2.2 硬件方案系统在陀螺仪和加速度传感器采集车身姿态信息的基础上1，通过单片机处理信号，实现车体能够准确保持直立。系统硬件电路部分包括K60最小系统模块、电机驱动模块、陀螺仪与加速度传感器模块、光电码盘测速模块等部分。综上所述，本智能车系统硬件部分包含了以下几个模块：（1） K60最小系统模块（2） 电源模块（3） 电机驱动模块（4） 陀螺仪与加速度传感器模块（5） 光电测速模块总体硬件方案框图如图2-1所示：图2-1总体硬件方案框图2.3 软件方案在硬件的基础上，通过软件的配合才能完成最终的控制目标，本系统的软件控制算法分为直立控制和速度控制，直立控制通过对角度偏差进行PD控制和速度偏差进行PI控制实现，速度控制通过对速度偏差进行PI控制实现2。整体软件框架如图2-2所示：图2-2 整体软件框架2.4 本章小结本章对智能车的整体方案，包括硬件方案和软件方案做了详细的描述，对下面工作的展开有很大的指导意义。第3章 视觉导航智能车姿态控制系统硬件设计3.1 车模安装智能车硬件要求：（1） 使用D或E车模，动力轮着地，双向行驶，车模宽度不超过250mm。（2） 主控制处理器只能有一个，而且必须

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