基于16位单片机MC9S12XS128的两轮自平衡智能车的系统研究与开发

摘要

汽车的普及是大势所趋,汽车电控水平的高低及汽车电器智能化的程度被看作是衡量现代汽车水平的重要标志。随着汽车电子技术和机器人智能技术的快速发展,对智能车辆的研究已经成为自动控制领域内的一个研究热点。智能汽车是一种集环境感知,规划决策,自动行驶等功能于一体的综合高新科技系统,它的应用涉及到众多学科,诸如自动控制、模式识别、计算机视觉、传感器技术、车辆工程、电子与电气、单片机等众多学科。
　　教育部举办的“飞思卡尔”智能汽车大赛,是一项综合性很强的赛事,能够充分调动大学生对智能汽车的兴趣,培养大学生进行科学研究的能力,提高大学生的动手能力和科技创新能力。本文以第七届“飞思卡尔”智能汽车大赛为研究背景,运用MC9S12XS128单片机,设计一种基于电磁导航的两轮自平衡车系统,并实现车模的直立行走,自主寻迹功能。系统采用飞思卡尔十六位微处理器MC9S12XS128作为核心控制单元,通过运用各种传感器,设计稳压模块、最小系统模块、双轮测速模块、倾角测量模块、电机驱动模块和人机交互模块并编写相应程序以完成平衡控制,速度控制,转向控制三大任务。文中通过对倒立摆进行动力学建模,类比得到车模的平衡条件。首先利用陀螺仪和加速度计获得车模的倾角和角速度,并进行卡尔曼滤波,并对倾角进行PD控制(比例-微分控制)实现车模的直立。通过光电编码器分别测得车模的线速度和转向角速度,对速度进行PI控制(比例-积分控制)。将转速控制信号与平衡控制信号叠加加载到后轮两电机上,实现车模的静止和直立行走。通过道路电磁中心线偏差检测与电机差动控制,保证车模在赛道上行驶,并对方向控制量和车体转动角速度进行PD控制可实现车模的方向控制。
　　最后对系统机械机构进行了安装调试,同时对三个控制模块的控制参数进行了静态及动态的调整,对整套系统进行实车赛道调试,实现智能车快捷、稳定、灵活的自主行驶。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外的智能汽车的研究状况

1.3 未来智能汽车的发展方向和前景

1.4本论文的主要研究内容

1.5 本章小结

第二章两轮自平衡智能车系统总体概述

2.1 两轮自平衡智能车的任务模块化设计

2.2 两轮自平衡智能车的直立平衡控制模块

2.3两轮自平衡智能车的速度控制模块

2.4两轮自平衡智能车的方向控制模块

2.5 本章小结

第三章 两轮自平衡智能车系统硬件电路设计

3.1 两轮自平衡智能车系统硬件总体设计

3.2 单片机MC9S12XS128的内部资源

3.3 单片机MC9S12XS128的最小硬件系统

3.4 电源管理模块

3.5 电机驱动模块

3.6 车模倾角测定模块

3.7 速度检测模块

3.8 LCD、键盘、存储芯片系统设计

3.9 本章小结

第四章 两轮自平衡智能车的控制算法

4.1 系统的开发环境及总体结构

4.2 系统的初始化设置

4.3 卡尔曼算法设计

4.4智能车控制算法研究

4.5 本章小结

第五章 系统的安装与调试

5.1 系统机械的安装

5.2 系统的调试

5.3 实际赛道的测试

5.4 本章小结

第六章 结论及展望

6.1：结论

6.2：展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文和专利

程序附录

致谢