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中北大学毕业设计开题报告学生姓名：学号：学院：信息与通信工程学院专业：电子信息科学与技术设计题目：基于ATMEGA16A芯片的自平衡车设计指导教师:2016年04月06日毕业设计开题报告1．选题依据：1.1研究目的及意义：车辆作为一种新型的交通工具，应用范围已经越来越广泛，几乎渗透到各个领域，是一项多学科理论与技术集成的机电一体化技术。车辆在方便人的出行和货物的运输等方面都显示出极大的优越性。轮式车辆由于具有结构简单、成本低、能量利用率高等特点，已经成为车辆研究的重要方向之一[1]。轮式车辆在工作过程中可能会遇到工作区域狭窄、路面不平、工作环境复杂多变、需要经常转向的工作场合，如何在这样的环境里灵活快捷的完成任务，使轮式车辆不但能够适应特定的环境及任务需求，而且在动态变化的复杂未知环境中能够体现出高度的灵活适应性，成为一个值得重点研究的课题。在这种应用背景下两轮自平衡车应运而生。两轮自平衡小车是一个集动态决策和规划、环境感知、行为控制和执行等多种功能于一体的综合系统，具有较高的学术研究意义[2]。小车具有两轮共轴、独立驱动、重心位于车轮上方和通过运动保持平衡的特点。通过运用加速度传感器、角速度传感器、陀螺仪等，可以实现小车平衡自立[3]。和传统的轮式移动机器人相比较，两轮自平衡小车有着以下优点：（1）具有占地面积小的优点，能够在场地面积很小或者要求灵活运输的场合上使用；（2）车的结构上有很大的简化，可以把车做的更轻更小；（3）能够实现在原地回转和任意半径的转向，有更加灵活易变的移动轨迹很好地弥补了传统多轮布局的缺点；（4）重心的高度对小车运动和硬件设计的限制小；（5）有着较小的驱动功率，能够让电池长时间供电。因为特别的结构，它对于地形的变化有很强的适应能力，有着良好的运动性能，能够在比较复杂的环境里面的工作[4]。故在解决自平衡的同时，还能够适应在各种环境下的控制任务。因此，两轮自平衡车有着广泛的应用前景，其典型应用包括代步工具、通勤车、紧急服务、邮件派送、危险品运输、灭火、高科技玩具、控制理论测试平台等方面。此外，由于微电子技术、计算机技术、控制技术、电源技术、驱动技术、传感器技术的不断进步，为两轮自平衡车技术提供了坚实的理论基础并极大的降低了研制成本，有力地推动了两轮自平衡车由理论研究向工程实践发展[5]。1.2国内外的发展现状近年来，两轮自平衡小车在国际得到快速的发展，建立了多个实验原机型，提出来众多解决平衡控制的方案，并对原机型的自动平衡性能与运动特性进行了验证。两轮自平衡小车自问世以来，迅速成为研究各种控制理论的理想平台，具有重大的理论意义，这要归功于她不稳定的动态性能和系统所具有的非线性[6]。在两轮自平衡小车的研究上，国外的专家和爱好者们取得了一系列的成果。以下介绍两个比较先进的平衡小车：由美国科学家David.P.Anderson研发的两轮自平衡机器人Nbot（如图1）基于倒立摆的小型自平衡两轮车模型，是由HCllrobotcontroller进行控制的。图1Nbot由瑞士联邦技术学院工业电子实验室的研究人员研制的名为JOE机器人（如图2），是由DSP芯片进行控制的，它由车架上方所附的重物模拟实际车中的驾驶者。图2JOE机器人国内两轮自平衡小车的研究也取得了一定的成就。西安电子科技大学研究出了两轮自平衡小车，它是一种两轮式左右并行布置结构的自平衡系统[7]。它利用伺服放大器ADS作为控制器，选择两个Maxson电机作为执行元件，采用自适应神经模糊控制器对小车这一非线性对象进行大范围控制，从而实现系统的自平衡。目前，国内研究的最多的双轮直立自平衡小车是微型处理器作为控制核心，车体倾斜角度检测采用加速度传感器和陀螺仪。利用PWM技术动态控制两台直流电机的转速[8]。基于这些完备而可靠的硬件设计，设计出一套独特可行的软件算法，实现了对小车的平衡控制[9]。通过对两轮自平衡系统的改造，如使用大功率的电机、采用大容量的电池，使用坚固的材料、更快的cpu、更灵敏的传感器以及加入控制系统等[10]，可快速方便的应用到众多环境中去，如承载、代步等。目前，市场上有许多平衡车相关产品，如小米公司9号平衡车、阿尔郎平衡车等。参考文献[1]徐国华，谭民.移动机器人的发展现状及其趋势[J].机器人技术与应用，2001[2]行阳阳.基于模糊PD的两轮自平衡车的设计.太原理工大学机械工程,2013[3]袁洪跃.自平衡两轮电动车控制系统设计.重庆大学,2012[4]尔桂花,窦曰轩.运动控制系统.清华大学出版社,2002[5]王效杰.基于变结构控制的两轮自平衡小车系统设计与实现.西安电子科技大学,2006[6]梅晓榕.自动控制元件及线路.哈尔滨工业大学出版社,2004[7]孙泓，屈胜利，刘学超，栗维克.两轮不稳定小车系统中变结构控制器的设计及改进.西安电子科技大学机电工程学院,2008[8]张琛.直流无刷电机原理及应用.机械工业出版社,2009[9]王光林.两轮电动车自平衡控制算法的研究.华南理工大学车辆工程,2011[10]袁帅.两轮自平衡机器人系统的设计.北京交通大学,2010毕业设计开题报告2．设计方案：2.1项目任务及要求：设计一辆两轮自平衡小车,要求如下:1)小车在运动时,仅依靠两轮维持自身平衡,与地面不能有第三接触点。2)小车能实现长时间稳定的自平衡站立(20秒以上)。3)在偏离平衡位置较大的角度情况下，仍能自动快速平衡，偏离角在10°以上。4)探讨实用化的渠道,并初步给出实用设计方案。2.2项目研究内容：1)对小车自身信息的采集，实现将采集的信息向单片机进行传送。2)电机驱动电路的设计，实现对电机转向及转速的控制3)设计适合单片机最小系统设计，实现对采集信息的处理及对电机的控制。4)两轮自平衡小车物理实体的设计，各部分硬件间搭建连接。2.3可行性分析：系统的总体设计框图如图3所示：图3系统框图此次设计采用ATMEGA16A芯片作为主控芯片，以MPU-6050模块采集姿态信息，使用L298N模块驱动电机，锂电池供电。ATmega16A是一种低功耗微控制器CMOS8-bit关于加强AVR基础的RISC架构。通过执行在一个时钟周期，ATmega16A强大的指令实现吞吐量接近每1MIPSMHz允许系统设计师能够优化功耗与处理速度。MPU-6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的封装空间。MPU-6050可准确追踪快速与ATMEGA16A电源mpu-6050L298N直流电机慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围。MPU-6050可在不同电压下工作。其他的特征包含内建的温度感测器、包含在运作环境中仅有±1%变动的振荡器。常用于动感测游戏、现实增强、电子稳像、行人导航器、“零触控”手势用户接口、姿势快捷方式认证。L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。两轮平衡车姿态传感器时刻监测整个机械本体的姿态信息,并将这些信息转换为数字电信号交给控制单元处理。控制单元对这些数据经过自平衡算法处理后得到控制电机的相应参数,由这个参数计算出PWM控制信号去控制电机的转速和转向。电机驱动电路接收到PWM信号,并将小信号转换为驱动电机的功率信号,使电机输出相应的转速,实现小车的自平衡。2.4进度安排：2月28号~3月20号查找文献，熟悉课题背景、任务，撰写开题报告。3月21号~4月10号系统分析、设计和仿真。4月11号~5月31号制作硬件与编写程序。6月01号~6月8号调试与改进。6月09号~6月14号撰写毕业设计论文。6月15号以后毕业论文打印、PPT制作及毕业答辩准备。毕业设计开题报告指导教师意见：在检索大量相关文献资料的基础上，该同学明确了本课题的研究内容，目的及背景。在AVR单片机的基础上，以模糊控制理论为基础，对自平衡小车现状进行了分析。在此基础上，针对小车长时间平衡直立以及受到干扰能快速回到平衡等问题，提出了基于PID控制PWM调节电机实现平衡的方案，设计动态控制的技术路线，方案可行，同意开题。指导教师：年月日