基于CCD的自平衡小车的设计

发布时间：2017-08-20 19:31

  本文关键词：基于CCD的自平衡小车的设计

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【摘要】：两轮自平衡小车是一种利用动态平衡原理为基础的控制对象，它的原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”[1]的基本原理上，也就是车辆本身的自动平衡能力。以内置的陀螺仪ENC-03MB来采集两轮车的角速度，加速度计MMA7361来采集两轮车的角度，然后将角度融合得出两轮车所处的姿势状态，透过精密且高速的中央微处理器MC9S12G128计算出适当的指令后，通过PWM模块驱动马达来做到平衡的效果。随着两轮车车身的倾斜，微控制器可以随心所欲地控制两轮车的行驶速度及前进方向。由此开发出来的智能平衡车“赛格威”不仅非常的轻巧、灵活、安全并且携带方便，而且极大地扩展视野，也带给您不一般的驾驶体验。两轮自平衡电动车具有智能控制、运动灵活、节省能源、操作简单、绿色环保、转弯半径为0等优点。因此把它运用在狭小空间内运行，比如体育场馆、大型公园及广场、国际性会议或展览场所、大型购物中心、生态旅游风景区、办公大楼、城市中的生活住宅小区等各种室内或室外场合中作为人们的中、短距离代步工具是非常合适的。本来因为两轮车的两轮结构，导致两轮车的重心在上、支点在下，所以它本身为一个不稳定系统。但是，我们可以利用倒立摆[2]的原理，通过微控制器来保证它的平衡。并且能够在平衡的基础上，按照我们的意思办事。形象地说，两轮平衡车的工作原理就像人行走的过程。在人行走的过程当中，如果人体的重心往前倾斜并要失去平衡的时候，人会通过自己的眼睛观察到自己身体的倾斜，于是人就会做出相应的反应来防止自己摔倒。反之，如果人体的重心往后倾斜，人体会做出相反地动作来防止自己摔倒在地。因此，如果将两轮车的车轮比作是人的两条腿，，再加上可以测量小车的角速度和倾斜角度，最后通过微控制器的控制便可以实现车体自平衡的效果。“赛格威”自平衡车具有循环储能设计，采用重心控制方式，刹车，停车都是靠检测重心来实现的，并没有专门的摩擦刹车系统，因此减速过程中，动能并没有因为摩擦转化为热能而浪费掉，而是又转化成电能储存到电池中。中国智能平衡车的出现，无疑是让人们在越来越拥堵的城市里，自由灵活的出行。 CCD称为电荷耦合器件，也可以把它称之为CCD图像传感器。它是一种可以把光学影像转变为数字信号的半导体器件。CCD上分布整齐的光电二极管称为像素。CCD的分辨率与它的像素成正比，CCD模块传感器通过其上面的光电二极管感应光线，然后把光信号转换成电信号。我们在两轮电动平衡小车上面安装了一个CCD模块，让它检测赛道上的黑条，从而判断其前进的方向。最后CCD模块上的外围电路将检测的结果传送给单片机AD采集端口，让单片机做出合理的判断，然后通过单片机MC9S12G128的PWM模块控制电机的差速转动来控制前进的方向，以至于不让两轮电动平衡小车跑出赛道。
【关键词】：CCD 自平衡 控制 设计
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP23
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 平衡车课题研究意义11-13
• 1.2 国内外研究现状对比13
• 1.3 平衡车课题研究内容13-15
• 第二章 CCD15-19
• 2.1 CCD 的概念15
• 2.2 CCD 工作原理15
• 2.3 CCD 功能特性15
• 2.4 关于 TSL140115-17
• 2.4.1 与摄像头 CCD 的区别15-16
• 2.4.2 TSL1401 功能描述16
• 2.4.3 积分时间 OR 曝光时间16-17
• 2.4.4 关于曝光时间长短讨论17
• 2.5 线性 CCD 常见问题17-19
• 2.5.1 镜头选配问题17
• 2.5.2 输出放大问题17
• 2.5.3 调焦问题17-19
• 第三章 自平衡小车的简要介绍19-21
• 3.1 基本原理19
• 3.2 运动机理19-20
• 3.3 自平衡小车的发展20-21
• 第四章 两轮直立小车的主控制器软硬件设计21-31
• 4.1 飞思卡尔单片机 MC9S12G128 的概述21-22
• 4.2 G128 的主要资源应用22-23
• 4.3 G128 最小系统原理图及实物图23-24
• 4.4 倍频控制算法24-25
• 4.5 AD 信号采集25-28
• 4.6 单片机中断服务函数28-31
• 第五章 关于陀螺仪模块的设计31-35
• 5.1 陀螺仪的介绍31
• 5.1.1 陀螺仪的定义31
• 5.1.2 陀螺仪的主要参数31
• 5.1.3 陀螺仪的特性31
• 5.2 陀螺仪的原理及应用31-32
• 5.2.1 陀螺仪的原理31-32
• 5.2.2 陀螺仪的应用32
• 5.3 陀螺仪模块的原理图和实物图32-35
• 第六章 加速度计模块的设计35-39
• 6.1 加速度计的介绍35-36
• 6.1.1 加速度计的定义35
• 6.1.2 加速度计的主要参数35
• 6.1.3 加速度计的特性35-36
• 6.2 加速度计的原理及应用36
• 6.2.1 加速度计的原理36
• 6.2.2 加速度计的应用36
• 6.3 加速度计模块的原理图及实物图36-39
• 第七章 电机驱动模块的设计39-45
• 7.1 电机驱动的概要39
• 7.2 L298 的原理及应用39-40
• 7.2.1 L298 的应用原理39-40
• 7.2.2 L298 的引脚功能说明40
• 7.3 L298 的原理图及实物图40-41
• 7.4 电机控制输入41-42
• 7.5 电机控制输出42-45
• 第八章 车模的机械设计45-51
• 8.1 车身的改装45-46
• 8.2 平衡杆的安装46
• 8.3 光电编码器46-48
• 8.3.1 光电编码器的介绍46-47
• 8.3.2 光电编码器的主要参数47-48
• 8.3.3 光电编码器的安装实物图48
• 8.4 电机的安装48-49
• 8.5 陀螺仪和加速度计的安装49-51
• 第九章 总结与展望51-53
• 9.1 工作总结51
• 9.2 展望51-53
• 参考文献53-55
• 致谢55-56

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 胡思明;一种减小积分零漂的方法[J];电子技术;1996年02期

2 许俊巧,李建,金晶,黄正烈;利用单片机形成的速度闭环控制系统[J];自动化与仪器仪表;2005年04期

本文编号：708407