大学生创新创业训练计划项目中期进展报告

1、大学生创新创业训练计划项目中期进展报告（3000字，小四宋体）项目成员：高超、孙健、虎强、陈伟、张波指导教师：钱炜摘 要：这份报告将简要介绍一下我们的独轮平衡车的自2014年3月开展到2014年10月期间的进展情况和我们做的工作。一、项目成果简介：1、为了验证在做实体之前对传感器的使用和芯片编程等有充足的把 握，我们已经完成了一个车体模型的测试工作。2、为了直观的了解车体的结构和便于让团队个成员加入自己的创意，我们初步设计了车体的机械结构，并用 Solidworks建模。二、项目进展：项目目前进度：我们最初的项目计划中的写的是总共分五步走，现在才刚刚 10月 下旬，我们已经完成了前面三步，其中

2、包括 3月-5月完成主控芯片程 序设计；6月-7月电路设计；7月-8月搭建车车模对电路，程序进行测 试；可以说比我们当年预期的进度提前了。已经取得成果：成果主要有两方面：一是车体模型测试，我们主控芯片是采用飞思卡尔的k60系列芯片，JTAG下载器，角度传感器，直流电机，2600mah的锂电池，L7805 稳压芯片，BTN7971B电机驱动。测试说明程序和电路的可行性，初步 验证了理想的方案的可行性。具体设计方案如下：1、车模的平衡控制原理：当车体垂直时，车轮保持静止，车体向左倾斜时，车轮向左加速 运行，车体向右倾斜时，车轮向右加速运行。直立的车模可以看成是放 置在可以左右移动平台上的倒立摆的单

3、摆。 普通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（角速度）相反的阻尼力。如果没有阻尼力，单摆会在垂直位置左右摆 动。阻尼力会使单摆最终停止在垂直位置。阻尼力过小（欠阻尼）会使 单摆在平衡位置附近来回震荡。 阻尼力过大（过阻尼）会使单摆达到平 衡位置的时间加长。因而存在一个临界阻尼系数，是得单摆稳定在平衡 位置的时间最短。倒立摆之所以不能像单摆一样稳定在垂直位置， 就是 因为它在偏离平衡位置的时候，所受到的恢复力与位移的方向相同，而 不是相反，因此，倒立摆会加速偏离垂直位置，直至倒下。为了通过控 制使得倒立摆能够像单摆一样稳定在垂直位置，

4、需要增加额外的受力， 使得恢复力与位移方向相反才行。该力与车轮的加速度的方向相反，大 小成正比。为了是倒立摆尽快在垂直位置稳定下来，还需要增加阻尼力， 增加的阻尼力与偏角的速度成正比，方向相反。综上可以得到车轮控制 速度的算法为：a = k1 E+k2 式中B为车模倾角，B为角速度，k1，k2 均为比例系数。K1决定了车模是否能够稳定在垂直位置，它必须大于 中立加速度，k2决定了车模回到垂直位置的阻尼系数，选取合适的阻 尼系数可以让车模尽快稳定在垂直位置。车模的加速度是通过控制车轮速度实现的，车轮通过车模因此两个 可以通过电机加速度的控制实现车模平衡稳定。电机的运动控制是通过 改变施加在其上的

5、驱动电压大小实现的。 电机的运动分为两个阶段，第 一个是加速阶段，第二个是恒速阶段。在加速阶段，电机带动车模进行 加速运动，加速度和施加在电机上的电压成正比。 在恒速阶段，电机带 动车模后轮进行恒速运动，运行速度与施加在电机上的电压成正比。 调 整车模角度的控制周期很短，时间一般是几个毫秒，此时电机基本运动 在家阶段，计算得到加速度控制量a在乘上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。加速度传感器MMA761可以测量由地球引力作用或者物体运动产 生的加速度，只需测量其中一个方向上的加速度值， 皆可以计算出车模 的倾角，比如使用z轴方向上的加速度信号。车模直立时，固

6、定在加速 度在z轴水平方向，此时输出信号为0片区内压信号。当车模发生倾斜 =时，重力加速度g便会在z轴方向上新城加速度分量，从而引起该轴 输出电压的变化。但是在实际车模运动中，由于车模本身的摆动所产生 的加速度会产生很大的干扰信号，它叠加在测量信号汇总使得输出信号 无法准确反映车模的倾角。加速度传感器安装的高度越低越好， 但是无 法彻底消除车模运送的影响。角速度传感器利用旋转坐标系中的物体会受到科里奥利力的原理 可以用来测量物体的旋转角速度，通过积分便可以得到车模的倾角。由 于陀螺仪输出的是车模的角速度，不会收银岛车体运动的影响，因此该 信号中噪声很小。车模的角度又是通过对角速度积分而得，这可

7、进一步 平滑信号，从而使得角度信号更加稳定。因此车模控制所需要的角度和 角速度可以使用陀螺仪所得到的信号。但是由于从陀螺仪角速度获得角 度信息，需要经过积分运算。如果角速度信号存在微小的偏差和漂移， 经过积分运算之后，变化形成积累误差。这个误差会随着时间延长逐步 增加，最终导致电路饱和，无法形成正确的角度信号。一种简单的方法 就是通过上面的加速度传感器获得的角度信息对此进行校正。通过对比 积分所得到的角度与重力加速度所得到的角度，使用它们之间的偏差改 变陀螺仪的输出，从而积分的角度足部跟踪到加速度传感器所得到的角 度。二是实体车体的Solidworks模型，这个参考了市场上已有车型的结 构和自

8、己的创意，这只是机械机构的初步模型，是为了让组员能够方便 的交流自己的想法和加入自己的创意。车轮采用普通的电动车的后轮， 电机与车轮一体，减少的空间；车座的支撑杆垂直地面，下端连接着可 以折叠的脚踏板，上面是可以根据使用者身高自由调节的车座；把手的 连杆下端与车座的支撑杆下端同轴相连，两个支撑杆之间通过两个绞和 连杆连接，因此把手可以绕车轴自由旋转。当不使用车时，把手可以向 车座旋转，便于放置和搬运，使用车时，可以方便将把手放下。存在的问题:现在存在的问题是：程序方面，程序还需要进一步优化，采用更好 的算法。这体现在车体模型虽然能够正常通过两个轮子站立起来，但是车体抖动得非常的厉害，还有抗干扰

9、性的能力非常弱，一旦有较大的干 扰时，车体便会倒下；传感器方面：传感器的性能不是很好，可能需要 更换传感器，选取性能更佳的传感器。电路方面：稳压元件的发热过度， 还需要优化电路。后期计划：后期我打算做一个独轮模型，先前的是两轮模型，主要为了测试我们对传感器的掌握情况，独轮模型将更加接近最后的实体结果， 电路和 传感器各方面的配合也会更加实体车的结果，所以这个还有利于我们根 据模型车的状况对实体模型的做进一步的细节设计， 这个我估计需要两 个月来完成，因为技术难度比较大。这项工作完成后我们就可以大约在 11月份下旬正式开始做车的实体模型。（包括：项目目前进度、已经取得成果、预期完成情况、存在的问题、后期 计划等。）三、主要参考文献（5个以内）机械设计基础王新华主编-化学工业出版社嵌入式原理与实践-ARM Coretex-M4 Kinetis 微控制器王宜怀，吴瑾，蒋银珍编著-电子工业出版社电子设计从零开始（第二版）杨欣，莱诺克