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二轮平衡车控制系统研究
二轮自平衡小车以清洁的电能作为动力,并且具有体型小,转弯灵活等特点,为解决汽车尾气污染、交通拥堵等问题提供了解决方案,符合当代社会的发展要求。二轮自平衡小车系统具有非线性、欠驱动、强耦合不稳定等特点,是研究控制策略的理想实验平台,国内外众多学者都进行了相关研究。因此,对二轮自平衡小车的运动控制问题展开研究具有重要的理论研究价值和实际意义。　　本文首先应用牛顿经典力学的方法建立了二轮自平衡小车的数学模型,通过仿真验证了数学模型的正确性,同时在平衡点附近对数学模型进行了线性化近似处理。为了加深对系统的认识,对系统的能控性、能观性和离散化后的能控能观性进行了分析。设计了基于线性二次型最优控制的状态反馈控制器,通过仿真实验证明其实现了系统的平衡及速度控制。　　基于前期的理论研究工作,本文设计了二轮自平衡小车的硬件系统和软件系统。硬件系统的设计主要包括设计核心控制板、供电模块、姿态倾角检测模块、执行机构和一些外围器件电路。软件系统的设计主要包括设计基于核心控制芯片的MC9S12XS128的二轮自平衡小车本体程序和基于NRF24L01的无线数据收发程序。最后,进行了实物实验,实验结果表明本文所设计的二轮自平衡小车能很好地实现自平衡并且能稳定运行。
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& & 图1 系统整体框架图
& & 2 硬件电路设计
& & 2.1 微处理模块设计
& & 主控端选用凌阳公司推出的SPCE061A单片机。SPCE061A是一款16位的微处理器，运算速度快，非常适合处理复杂的数字信号。CPU工作VDD 为 2.4~3.6V，CPU 时钟为0.32~49.152M，内置2K字SRAM以及32K字FLASH;具有2 个 16 位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值);2个10位(数/模转换)输出通道;32 位通用可编程输入/输出端口;具备触键唤醒的功能;7通道10位电压模/数转换器(ADC)和单通道声音模/数转换器;声音模/数转换器输入通道内置放大器和自动增益控制(AGC)功能;具备串行设备接口;具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能;内置在线仿真电路E(In-Circuit Emulator)接口;具有保密功能;具有看门狗功能。图2为SPCE061A内部结构图;图3为SPCE061A引脚图。
& & 图2 SPCE061A内部结构图
& & 图3 SPCE061A引脚图
& & 监测端微处理器选用ATMEL公司的AT89S52单片机。AT89S52是一种低功耗、高性能的8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash ，256字节RAM， 32 位I/O 口线，片内及时钟电路，最高工作可达33MHZ;内部集成看门狗定时器，全双工串行口，6个中断源，3个16位定时器/计数器。图4为AT89S52单片机引脚及其最小系统图。
& & 图4 AT89S52单片机引脚及其最小系统
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&文件名称: mc9s12xs128_examples& & [
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