山东赛区研讨会电磁组直立行走PPT

电磁车模直立行走一、电磁直立关键技术二、9S12XS在直立中的应用三、代码分析四、车模调试一、电磁直立关键技术1、直立行走任务分解（1）控制车模直立：通过控制两个电机正反向运动保持车模直立状态；（2）控制车模速度：通过控制两个电机转速速度实现车模行进控制；（3）控制车模转向：通过控制两个电机之间的转动差速实现车模转向控制。在上述三个任务中保持车模直立是关键，其它两个控制就成为它的干扰。因此在速度、方向控制的时候，应该尽量平滑，以减少对于直立控制的干扰。车模在加速和减速的时候，速度控制一直在起作用，它会自动改变车模的倾角，移动车模的重心，使得车模实现加速和减速。2、车模直立控制实际上就是控制中的负反馈机制运动学和动力学数学模型单摆：当物体离开垂直的平衡位置之后，便会受到重力与悬线的作用合力，驱动重物回复平衡位置总结单摆能够稳定在垂直位置的条件有两个：（1）受到与位移（角度）相反的恢复力；（2）受到与运动速度相反的阻尼力。倒立摆：倒立摆之所以不能象单摆一样可以稳定在垂直位置，就是因为在它偏离平衡位置的时候，所受到的回复力与位移方向相同，而不是相反！因此，倒立摆便会加速偏离垂直位置，直到倒下。倒立摆——单摆：增加额外的受力，使得恢复力与位移方向相反。控制倒立摆底部车轮，使得它作加速运动。这样站在小车上（非惯性系）看倒立摆，它就会受到额外的力(惯性力)，该力与车轮的加速度方向相反，大小成正比。这样倒立摆所受到的回复力为式中，假设控制车轮加速度与偏角成θ正比，比例为k1。显然，如果k1g，（g是重力加速度）那么回复力的方向便于位移方向相反了。为了使得倒立摆能够尽快地在垂直位置稳定下来，还需要增加阻尼力，与偏角的速度成正比，方向相反。按照上面的控制方法，可把倒立摆模型变为单摆模型，能够稳定在垂直位置。因此，可得控制车轮加速度的控制算法式中，θ为车模倾角；θ'为角速度；k1、k2均为比例系数。只要保证在k1g、k20条件下，可以维持车模直立状态。其中，k1决定了车模是否能够稳定到垂直位置，它必须大于重力加速度；k2决定了车模回到垂直位置的阻尼系数，选取合适的阻尼系数可以保证车模尽快稳定在垂直位置。因此控制车模稳定，需要下列两个条件：（1）能够精确测量车模倾角θ的大小和角速度θ'的大小；（2）可以控制车轮的加速度。3、车模速度控制电机运动控制是通过改变施加在其上的驱动电压实现的。由上图知：电机运动明显分为两个阶段：第一个阶段是加速阶段；第二个阶段为恒速阶段。调整车模直立时间常数很小，此时电机基本上运行在加速阶段。由上一节计算所得到的加速度控制量a再乘以一个比例系数，即为施加在电机上的控制电压，这样便可以控制车模保持直立状态。车模运行速度调整时间相对很长，此时，电机速度与施加在其上的电压成正比。通过传统的PID反馈控制，便可以精确控制电机的运行速度，从而控制车模的运行速度。4、车模方向控制5、车模倾角测量加速度传感器：车模倾角以及倾角加速度的测量成为控制车模直立的关键。当车模发生倾斜时，重力加速度g便会在Z轴方向形成加速度分量，从而引起该轴输出电压变化。变化的规律为：Δu=kgsinθ式中，g为重力加速度；θ为车模倾角；k为比例系数。当倾角θ比较小的时候，输出电压的变化可以近似与倾角成正比。在实际车模运行过程中，由于车模本身的运动所产生的加速度会产生很大的干扰信号叠加在上述测量信号上。因此，对于车模直立控制所需要的倾角信息需要通过另外一种器件获得，那就是角速度传感器-陀螺仪。角速度传感器-陀螺仪：它利用了旋转坐标系中的物体会受到克里利奥力的原理，在器件中利用压电陶瓷做成振动单元。当旋转器件时会改变振动频率从而反映出物体旋转的角速度。可以通过上面的加速度传感器获得的角度信息对此进行校正，互补滤波：加速度计所产生的角度信息θg中会叠加很强的有车模运动加速度噪声信号。为了避免该信号对于角度θ的影响，因此比例系数Tg应该非常小。这样，加速度的噪声信号经过比例、积分后，在输出角度信息中就会非常小了。由于存在积分环节，所以无论比例Tg多么小，最终输出角度θ必然与加速度计测量的角度θg相等，只是这个调节过程会随着Tg的减小而延长。卡尔曼滤波：以最小均方误差为最佳估计准则，采用信号与噪声的状态空间模型，利用前一时刻的估计值和当前时刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出当前时刻的估计值，算法根据建立的系统方程和观测方程对需要处理的信号做出满足最小均方误差的估计卡尔曼滤波器包括两个主要过程：预估与校正。预估过程主要是利用时间更新方程建立对当前状态的先验估计，及时向前推算当前状态变量和误差协方差估计的值，以便为下一个时间状态构造先验估计值。校正过程负责反馈，利用测量更新方程在预估过程的先验估计值及当前测量变量的基础上建立起对当前状态的改进的后验估计6、车模直立行走控制算法总图二、9S12XS在直立中的应用1、9S12XS128资源a、8KRAM，128KFlash，在small模式时，只能用16K的Flash（参考纪成师兄博客：）b、8通道8位PWM，可级联成4个16位PWMc、16通道12位AD转换器d、8通道16位定时器e、1个16位计数器（PT7）f、I/Og、还包括SPI、SCI等模块2、信号输入输出a、陀螺仪ENC_03信号输入b、加速度传感器MMA7260信号输入c、电感线圈信号输入d、编码器信号输入（脉冲个数和方向）e、拨码开关(键盘)信号输入f、PWM输出（4路）g、指示灯h、蜂鸣器3、单片机寄存器配置三、代码分析1、程序框架2、工程框架3、程序说明a、代码阅读从主函数main.c入手b、单片机寄存器设置在System_Init.c文件中c、直立控制在Balance_Control.c文件中d、电机赋值及速度给定在Speed_Control.c文件中e、测速及各函数调用在中断服务程序中f、参数配置在Com_def.h文件中4、代码详细分析《直立行走参考程序--山东大学智能汽车工作室》四、车模调试技术进步永无止境-----清华大学谢谢大家！