基于飛思卡爾單片機(jī)控制的兩輪平衡小車(chē)研制

羅朝云 吳小平 熊益

【摘要】本文研制了一種結(jié)合兩輪式移動(dòng)機(jī)器人和倒立擺系統(tǒng)的智能機(jī)電一體化機(jī)構(gòu)。通過(guò)飛思卡爾16位單片機(jī)進(jìn)行控制。在制作完成機(jī)械結(jié)構(gòu)之后，進(jìn)行了紅外遙控的設(shè)計(jì)、對(duì)小車(chē)的傳感器參數(shù)進(jìn)行了整定。由于其具有良好的可移動(dòng)性和環(huán)境適應(yīng)性，在現(xiàn)實(shí)生活中具有很高的實(shí)用價(jià)值。比如作為個(gè)人交通工具，智能載運(yùn)等。

【關(guān)鍵詞】倒立擺；Pro/E建模；有限元分析；紅外遙控倒立擺系統(tǒng)

1.概述

智能汽車(chē)是集環(huán)境監(jiān)測(cè)、路徑規(guī)劃、多等級(jí)的輔助駕駛模塊等功能于一體的系統(tǒng)。它運(yùn)用了計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理、傳感器、通信等技術(shù)。是一個(gè)具有很高科技技術(shù)含量的系統(tǒng)。目前對(duì)智能汽車(chē)的研究主要體現(xiàn)在對(duì)汽車(chē)駕駛的安全性、舒適性等方面的提高。

2.兩輪車(chē)系統(tǒng)理論研究

通過(guò)對(duì)倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行研究，可以考察一個(gè)控制系統(tǒng)在解決非線性、不穩(wěn)定系統(tǒng)方面的控制能力。

2.1 直線一級(jí)倒立擺的數(shù)學(xué)模型

倒立擺系統(tǒng)是一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)，在進(jìn)行建模時(shí)，有一定困難。忽略到一些不太重要的細(xì)節(jié)之后，倒立擺系統(tǒng)其實(shí)就是一個(gè)剛性運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，可以在倒立擺的慣性力坐標(biāo)系中使用經(jīng)典力學(xué)分析進(jìn)行建模。下面采用經(jīng)典的牛頓力學(xué)分析來(lái)進(jìn)行直線一級(jí)倒立擺的數(shù)學(xué)模型建立。

2.2 兩輪小車(chē)倒立擺模型簡(jiǎn)化

重力場(chǎng)中使用細(xì)線懸掛著重物經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化便形成理想化的單擺模型。直立的小車(chē)可以近似看做可做水平移動(dòng)的倒立擺系統(tǒng)。

3.結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

在方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先對(duì)小車(chē)輪子的安裝方向進(jìn)行了選擇，以確保能夠與之前確定的一級(jí)平面倒立擺數(shù)學(xué)模型進(jìn)行吻合。然后結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中的兩輪自平衡小車(chē)產(chǎn)品，對(duì)整車(chē)機(jī)械零件和各種模塊安裝位置進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。

3.1 兩輪位置關(guān)系的選擇

采用左右輪布置方式，采用雙直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車(chē)的兩個(gè)輪胎。雖然是雙直流電機(jī)，屬于一級(jí)倒立擺系統(tǒng)。因?yàn)閺膫?cè)面觀看小車(chē)前進(jìn)方向，兩個(gè)電機(jī)重合，對(duì)應(yīng)著上一章倒立擺模型中的“單電機(jī)平面一級(jí)倒立擺”

3.2 小車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

經(jīng)過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，最終小車(chē)的主要組成部分包括：輪胎、直流電機(jī)、聯(lián)軸器、測(cè)速裝置、車(chē)身傾覆姿態(tài)檢測(cè)傳感器、電池、控制電路等。這些結(jié)構(gòu)之間，通過(guò)板材制作的小車(chē)骨架進(jìn)行連接。

3.3 前期目標(biāo)參數(shù)與結(jié)構(gòu)框圖

4.小車(chē)三維建模

5.力學(xué)分析

5.1 聯(lián)軸器的力學(xué)分析

由分析結(jié)果可見(jiàn)，DR-S尼龍聯(lián)軸器在車(chē)身豎直方向上的最大位移4.866×10-1mm，且在局部的應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到37.3 Mpa，遠(yuǎn)超過(guò)了尼龍材料的許用應(yīng)力3Mpa。黃銅六角聯(lián)軸器在車(chē)身豎直方向上的最大位移為4.706×10-4mm，最大應(yīng)力8.486Mpa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力295 Mpa。因此可以確定，在為了減少車(chē)體震動(dòng)并保證連接強(qiáng)度的情況下，采用黃銅六角聯(lián)軸器是正確的。

5.2 小車(chē)底板力學(xué)分析

7.結(jié)論

對(duì)小車(chē)的物理模型“倒立擺系統(tǒng)”進(jìn)行了牛頓力學(xué)建模。對(duì)其進(jìn)行模型簡(jiǎn)化之后，得到了便于C語(yǔ)言編程的控制方程，利用Pro/E進(jìn)行小車(chē)三維建模和動(dòng)畫(huà)仿真，對(duì)各個(gè)機(jī)械零件的安裝位置進(jìn)行了布置，并對(duì)關(guān)鍵承重部件聯(lián)軸器和小車(chē)底板進(jìn)行了有限元分析，并進(jìn)行傳感器參數(shù)調(diào)試，確保各個(gè)零件能夠正常工作。

參考文獻(xiàn)

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