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基于双轮自平衡小车的PID参数验证平台的设计

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楼主: 東南博士
 楼主 | 2019-4-30 21:45 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-4-30 21:45 | 显示全部楼层
    参数调节器主要由以下几部分构成:
    (1)  OLED显示模块:显示双轮自平衡小车的状态参数以及可调、可控的参数。
    <2)电源模块:为遥控电路部分提供稳定电源。
    (3)按键模块:用于显示界面的切换和对小车PID参数的实时调节和在线控制。
    (4)无线接收发射模块:接收小车回传的车体参数,同时发送控制指令。
    (5)串口调试模块:用于和PC端通信显示参数,方便调试系统和编写程序。
    参数调节器选STC公司的51内核8位单片机STCI2CSA60S2作为核芯的控制处理器,
其电路控制框图如3.2所示。

745885cc8517d37b06.png

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 楼主 | 2019-4-30 21:46 | 显示全部楼层
    GD32F103RET6是国产32单片机,在软件上完全兼容甚至在某些功能上远超意、法半导
体公司的STM32F103RET6单片机。GD32F 103RET6能够兼容多种外设模块并具有非常丰富
的内部资源,非常适合控制双轮小车的直立运行、前后行进和左右转向。如图3.3显示该单
片机的内部资源情况。

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 楼主 | 2019-4-30 21:51 | 显示全部楼层
    为保障系统的可靠运行,主控板的最小系统至关重要,GD32F103RET6需要外部的时钟,
给实时时钟提供时钟源,所以需要外部8MHz的晶振。除此最小系统还要复位电路,程序调
试下载电路。根据本系统的控制需要配置的最小系统电路非常简洁,主要由复位电路,程序
下载电路,电源灯部分构成,如图3.4所示。
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 楼主 | 2019-4-30 21:54 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-4-30 21:55 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-4-30 21:55 | 显示全部楼层
MPU-6500传感器具有的一些特殊特征如下l20]:
<1)通过数字接口输出3轴角速度、3轴角加速度、旋转矩阵、四元数、欧拉角融合后
      的数据。
(2)内部集成的3轴角速度传感器具有131 LSBs/sec的灵敏度,同时具有全格感应范围,
      其范围为:士250 g/sec、士500 g/sec、士1000 g/sec、士2000g/sec o
(3)内部集成的加速度计可进行程式控制,其程式控制范围为士2g、士4g、士8g、士
      16go
(4)实时移除加速度和角速度传感器之间的敏感度,降低相互之间的影响和陀螺仪的
      温飘。
(5)数字运动处理单元可以降低数据融合的算法复杂度。
(6)提供给开发者使用的API数据库支持安卓、嵌入式和PC的应用。

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 楼主 | 2019-4-30 21:56 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-4-30 21:56 | 显示全部楼层
    OLED是液晶显示器中的一种,它是一种有机电激发二极管。OLED的厚度仅为LCD屏
幕的三分之一,最小的厚度可以做到小于1 mm,重量非常轻,制作工艺简单,成本低廉。
    本设计选用的OLED是应用广泛的点阵12864。液晶显示一些参数的设置如下:angle mid:
平台垂直状态下的角度中值;P一 angle:直立状态下调节平衡PID参数中的比例系数;Dee angle:
直立状态下调节平衡PID参数中的微分系数;P Speed:行进状态下调节速度PID参数中的
比例系数;I Speed:行进状态下调节速度PID参数中的积分系数;D Speed:行进状态下调
节速度PID参数中的微分系数;speed set:平台运行的当前速度;Pes Dir:转向状态下调节方
向PID参数中的比例系数[Z}}a OLED
数显示更加直观,便于对变量的调节,
效果如图3.7所示,能显示我们需要的一些信息,使参
有助于系统的调试加快程序的编写速度。
254265cc85423e1332.png

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 楼主 | 2019-4-30 21:57 | 显示全部楼层
    双轮自平衡小车和遥控器之间的通信是通过无线模块实现的。本系统选取的是一款工作
在2.4G频段单片收发芯片NRF24L01。此无线收发器由模式控制器、频率发生器、功放、调
制解调器、功率选择器等部分构成。对NRF24L01的控制接口是SPI,并且可以通过SPI接口
设置电流的消耗。NRF24L01的链路层完全集成在芯片上,具有自动重发、自动检测、重发
丢失数据包、自动存储应答信号、自动应答等功能[(22]。而且NI}.F24L01对于重发次数和重发
数据的间隔等参数都可以自主设置。NRF24L01一方面在距离上可以满足控制需求,另一方
面可以避免有线传输线对教学平台调试的限制。基于以上考虑,本系统最终选用了NRF24LOla
本设计使用的是四线制的SPI通信方式,即SPI2 SCK, SPI2 MOSI, SPI2 MISO, SD CS o
其实物物图如下图3.8所示:
573715cc85450501fc.png

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 楼主 | 2019-4-30 21:57 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-4-30 21:59 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-4-30 22:11 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-4-30 22:12 | 显示全部楼层
      SD是芯片的使能信号,将两个半桥的使能接在一起,对使能端施加PWM控制信号来
控制电机转速。两个半桥的输入端用来控制电机的正反转,例如U9的EN给高电平,U10的
EN给低电平,此时电机为正转,相反则为反转。这个电路特别适合大功率的电机使用,因为
它在关断、开启时会自动添加一个延时,如图3.11所示,这个延时十分重要,此延时可以保
证开关器件完全关断[24]。此电机驱动芯片虽然功能强劲,但是由于其要驱动 MOSFET所以还
需要升压电路来配合它使用才能达到理想效果。本文采用MC34063芯片来搭建升压模块。由
于系统电机功率不大,所以设计改变了驱动方案,选用了L298n芯片作为驱动,它的要求相
对IR2104简单的多,其电路如图3.12所示:

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 楼主 | 2019-4-30 22:12 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-4-30 22:13 | 显示全部楼层
    双轮自平衡小车的体积小,质量轻,不需要特别大的驱动力矩和驱动电流。综合考虑本
设计最终采用的是L298n驱动方案。L298n芯片内部集成了两个全桥电路,可以实现电机的
调速、正反转控制等,操作简单且调速范围广。PWM的调速是依据面积等效原理而来的即周
期性的控制MOS管的导通截止,导通时间t与控制周期T的比值就是加在被控电机两端的电
压,即a=t/T(占空比)。加在电机两端的电压直接决定了电机的转速,占空比越大电机转速
越高。在硬件电路的连接上,本文将JS和J6接口分别连接到L298n的IN 1 }IN4上,通过改
变JS和J6接口的高低电平变化以控制电机的旋转方向,通过改变使能端接口上的高低电平
的占空比以控制电机的转速。

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