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作者：内蒙古科技大学 李孙华 任玉龙 田志强

指导老师：王永平

作品简介：

　　开发背景

　　近年来，随着移动平衡机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，所面临的环境和任务也越来越复杂。机器人经常会遇到一些比较狭窄，而且有很多大转角的工作场合，如何在这样比较复杂的环境中灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。而且语言控制成为了一种自然、和谐、方便，更符合未来人们的控制思想，使人们更能自如的人机交互。同时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。因为它既有理论研究意义又有实用价值。

　　功能与使用说明

　　作品通过IAP15F2K61S2单片机做控制，加速度计、陀螺仪检测小车姿态，编码器检测小车速度，加速度与陀螺仪的值经过数据融合得到小车平滑的角度和角速度，应用PID控制小车平衡，编码器的值采用卡尔曼滤波使数据平滑，应用PI控制其能够运动， 上位机是在微软公司的语音识别包的基础上，以电脑为载体，通过语音来控制下位机。充分的展现了人机交互的功能特点。

平台选型说明：

　　IAP15F2K61S2 Microsoft Visual Studio 2010

设计说明：

　　本作品分为上位机和下位机两部分，二者之间通过无线模块传输数据。

　　1.上位机部分

　　上位机是基于Microsoft VS 2010开发平台，微软公司的语音识别包的基础上，用C#语言编写的控制台应用程序，用户可以对其发布指令来控制下位机相应运动。

　　1.1登录界面

　　需要提供帐号密码验证的界面，有控制用户权限、记录用户行为，保护操作安全的作用。

　　1.2主控界面

　　主要有我们实验室信息，可以对串口进行显示和配置，同时对串口的工作状态显示监控。

　　2.下位机部分

　　下位机是两轮自平衡小车，以IAP15F2K61S2为主控制器，主要是把高度不稳定系统控制平稳，同时接收上位机传来的命令，控制其前进、后退、左转、右转。其中主要有

　　(一) 硬件部分：IAP15F2K61S2主控板、无线串口传输模块、加速度

　　陀螺仪一体姿态检测模块、高精度编码器模块、PWM扩展模块、L298大功率驱动、大扭矩减速电机，

　　(二) 软件部分： 直立控制部分、速度控制部分 与上位机接口函数

　　2.1硬件部分

　　2.1.1主控板

　　主控板是与IAP15F2K61S2为核心，扩展了出I/O口，增加了运行状态的显示灯、源开关、下载口等外设，方便控制和调试平衡车。

　　2.1.2无线通信技术

　　APC220模块是高度集成半双工微功率无线数据传输模块。创新的采用高效的循环交织纠检错编码，抗干扰和灵敏度都大大提高，最大可以纠24bits连续突发错误，达到业内的领先水平。APC220模块提供了多个频道的选择，可在线修改串口速率，发射功率，射频速率等各种参数。APC220模块能够透明传输任何大小的数据，同时小体积宽电压运行，较远传输距离，丰富便捷的软件编程设置功能，使之能够应用与非常广泛的领域。

　　2.1.3姿态检测模块

　　小车姿态的检测是应用了一轴陀螺仪(ENC-03MB)和三轴加速度(MMA7361)集合模块，加速度用于测量线性的的运动,直接输出加速度，当速度变化较大时输出值越大，通过三角函数变换就可以的到小车也重力方向的夹角，陀螺仪是测量旋转的运动，输出角速度，旋转越快输出越大，有了角速度后可以通过积分的到角度。

　　2.1.4电机驱动模块

　　小车驱动采用大功率L298，它可以驱动两个电机，因为它驱动能力大，最大功耗可以达到25W，驱动电流峰值可以到达4A，逻辑部分端子供电(vss)可以取+5V~+7V，逻辑电流时0~36mA，符合我们小车的驱动范围，而且便宜，所以选择了它。

　　2.1.5小车底盘

　　地盘是购买了两个JGA25-371-12V的大功率减速电机，减速比是1:34的，负载扭矩可以1.2KG/CM, 后带高精度编码盘，一圈有334个脉冲

　　2.2软件设计部分

　　2.2.1直立控制

　　直立控制是小车的核心主要如图所示

　　为了小车通过这平衡原理保持平衡，小车需要知道自己的倾角和角速度，所以我们使用了加速度和陀螺仪检测 。对于加速度计有无积累误差，长时间稳定，但是加速度计对震动敏感，而且数据和重力数据相混，对真实数据有影响，陀螺仪数据噪声小，短时间内误差小，但是陀螺仪的放大电路有温漂，而且积分会产生积累误差，随着时间的增加，数据会会失效，所以需要把二者数据先融合，取长补短，

　　数据融合控制方案如图所示

　　我们可以通过单片机ADC口把陀螺仪和加速度的值读取，通过一个平均滤波存取上，应用偏差控制理论，计算出陀螺仪和加速度的偏差，陀螺仪输出值就可以得到角速度(ω)。陀螺仪的偏差和加速度的偏差分别经过积分、比例后相互补偿后输出平滑、误差小的角度(θ)。

　　当有了角度(θ)，和角速度(ω)，就可以应用PID控制直立。

　　可是当控制直立后小车不可能控制的太好，会随意动，对于控制其运动或不动时不可能完成，所以我们需要速度反馈调节形成闭环控制。

　　2.2.2速度控制

　　我们通过单片机的计速器和定时器读取编码器脉冲，计算出小车速度，我们计算出小车与给定小车的速度偏差值，在应用偏差值积分后都到积分值，再通过PID 控制小车速度。它与配合直立控制一起完成小车的运转。

　　其速度控制如图所示：

　　为了得到平稳、真实的速度我们在速度检测的值加上了卡尔曼滤波。

　　2.2.3 方向控制

　　方向控制我们控制的比较简单，我们本是通过PWM给定车的速度，而且时时检测上位机的传输命令，当我们检测到上位机发的数据时改变左右电机的PWM值，从而完成相应的动作

　　2.2.4与上位机的接口函数

　　作品上位机检测语言识别后通过串口发向相应的控制代号给下位机，下位机也用串口接收代号，接收后放进储存区，把代号判断识别出代号意义，从而控制平衡车完成指令。

　　4.作品机构框架图

　　4 主要流程图

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