一种单车轮小车平衡控制系统技术方案

一种单车轮小车平衡控制系统，涉及姿态控制领域。本发明专利技术包括：主控制器；角速度测量模块测量小车角速度信号；加速度测量模块测量小车加速度信号；转速测量模块测量小车转速信号；方向测量模块测量小车方向信号；计算机；直流电机驱动模块；车轮电机；电源模块；通过主控制器利用卡尔曼滤波算法对角速度信号和加速度信号进行优化滤波处理计算得小车的姿态倾角数据；主控制器利用PID算法对姿态倾角数据、速度信号和方向信号进行计算得到PWM信号，计算机输出控制指令驱动直流电机驱动模块，驱动车轮电机运转，实现单车轮小车的姿态调整和平衡控制。本发明专利技术体积小、控制过程简单，易于实现，测量精度高。

【技术实现步骤摘要】
一种单车轮小车平衡控制系统
本专利技术涉及姿态控制
，具体涉及一种单车轮小车平衡控制系统。
技术介绍
电力系统是一种由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。因此，在电力系统中，经常会铺设或设置一些线缆用于实现电能的输出。在运输线缆时会用到一种运输小车，小车通常会采用单车轮实现移动。单车轮自平衡小车是比较不稳定的，在移动过程中具有多变量、非线性、强耦合等问题。为了保证单车轮小车移动的稳定性，需要对小车的各种状态参数进行实时分析，使其在水平方向和垂直方向上的位移和角度的偏移量保持在可控范围内，使之在静态平衡点附近保持平衡。为此，需要专门设计一套适用于单车轮小车平衡控制的系统，实现单车轮小车姿态控制的准确性和实时性。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种单车轮小车平衡控制系统。本专利技术为解决技术问题所采用的技术方案如下：本专利技术的一种单车轮小车平衡控制系统，包括：主控制器；与主控制器相连的角速度测量模块，用于测量小车的角速度信号；与主控制器相连的加速度测量模块，用于测量小车的加速度信号；与主控制器相连的转速测量模块，用于测量小车的转速信号；与主控制器相连的方向测量模块，用于测量小车的方向信号；通过信号传输模块与主控制器相连的计算机；与计算机相连的直流电机驱动模块；与直流电机驱动模块相连的车轮电机；与信号传输模块和直流电机驱动模块相连的电源模块，用于给直流电机驱动模块、信号传输模块、主控制器、速度测量模块、加速度测量模块、转速测量模块、方向测量模块供电；通过主控制器利用卡尔曼滤波算法对角速度信号和加速度信号进行优化滤波处理，对所获得信号进行计算得到小车的姿态倾角数据；所述主控制器利用PID算法对姿态倾角数据、速度信号和方向信号进行计算得到用于驱动直流电机驱动模块的PWM信号，通过信号传输模块传输给计算机，计算机输出控制指令驱动直流电机驱动模块，驱动车轮电机运转，实现单车轮小车的姿态调整和平衡控制。进一步的，所述主控制器采用意法半导体公司的STM32F103C8T6，该芯片是一种CortexM3内核的高性能MCU，运行时钟最高为72MHz，运算速度1.25DMIPS/MHz，片上64kBFlashROM、20kBRAM，内含7个定时器，能输出多路PWM信号。进一步的，所述主控制器中的软件程序包括：数据采集程序、卡尔曼滤波程序、车速及运动方向检测程序、PID控制程序、直流电机PWM控制程序、信号传输模块数据处理程序。进一步的，所述角速度测量模块的电路包括：电容C1-C7、电阻R1-R9，运算放大器、电压模块E、电压模块F；所述电压模块E的引脚2接地，引脚3接3.3V电源，电压模块E的引脚2和引脚3分别连接电容C1的两端；电压模块E的引脚1通过一电阻R1连接运算放大器的引脚3，电压模块E的引脚4通过一电阻R2连接运算放大器的引脚2；电阻R1的另一端连接电阻R5，电阻R5的另一端连接电阻R3一端和电阻R4一端，电阻R3另一端接地，电阻R4另一端连接3.3V电源，且电阻R4此端连接一电容C2，电容C2另一端接地；电阻R2的另一端连接电阻R6和运算放大器的引脚2，电阻R6的两端并联一电容C3；电阻R6的另一端连接运算放大器的引脚1，运算放大器的引脚4接地；由电阻R1和电阻R2组成高通滤波器，由电阻R6和电容C3组成低通滤波器，通过一个高通滤波器和一个低通滤波器输出信号进行处理，降低信号噪声；所述电压模块F的引脚2接地，引脚3接3.3V电源，电压模块F的引脚2和引脚3分别连接电容C4的两端；电压模块F的引脚1和引脚2分别连接电容C5的两端；电压模块F的引脚4连接一电容C6，电容C6另一端和电压模块F的引脚1分别连接电阻R7的两端；电容C6还与运算放大器的引脚5相连，电压模块F的引脚1还与电阻R8一端连接，电阻R8另一端与电容C7一端、电阻R9一端、运算放大器的引脚6相连；电容C7另一端、电阻R9另一端与运算放大器的引脚7相连；由电容C6和电阻R7组成高通滤波器，由电容C7和电阻R9组成低通滤波器，通过一个高通滤波器和一个低通滤波器输出信号进行处理，降低信号噪声。进一步的，所述电容C1的电容值为0.1μF，电容C2的电容值为0.1μF，电容C3的电容值为0.1μF，电容C4的电容值为0.1μF，电容C5的电容值为4.7μF，电容C6的电容值为4.7μF，电容C7的电容值为1800pF。进一步的，所述电阻R1的电阻值为5.1kΩ，电阻R2的电阻值为5.1kΩ，电阻R3的电阻值为1kΩ，电阻R4的电阻值为1kΩ，电阻R5的电阻值为51kΩ，电阻R7的电阻值为100kΩ，电阻R8的电阻值为100kΩ，电阻R9的电阻值为90kΩ。进一步的，所述运算放大器采用的型号为LMV358。进一步的，所述加速度测量模块具体采用西化仪(北京)科技有限公司、型号为MN21/ADIS16355TM的三轴陀螺仪/三轴加速度计；数字范围比例缩放；±75，±150，±300°/s设置；14位分辨率；三轴加速度计；±10g测量范围；14位分辨率；全温补偿，350Hz带宽；出厂校准灵敏度，漂移和轴校准-40℃～85℃；数字控制漂移校准；数字控制取样速率；数字控制滤波；可编程条件监测；附属数字输入/输出；数字启动自检；可编程电源管理；嵌入温度传感器；SPI兼容串口；附属12位ADC输入和DAC输出；单电源操作：4.75V～5.25V；2000g冲击承受力。进一步的，所述转速测量模块采用WO-FNPW2光纤转速传感器，型号：WO-FNPW2，品牌：Winlenk。进一步的，所述方向测量模块采用TXB0104，一种具有自动方向感应和+/-15kVESD保护的4位双向电压电平转换器。进一步的，所述信号传输模块采用上海迅瞻电子科技第三代串口WLAN模块，型号为SSC-WiFi-03。进一步的，所述电源模块采用西门子、型号为6EP1系列电源。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术采用高性能的单片机STM32F103C8T6，利用卡尔曼融合算法对所获得信号进行计算得到小车的姿态倾角数据，自平衡控制范围约±15度左右，小车在计算机向直流电机驱动模块发出的指令下实现前进、倒退、转弯、停止等动作，控制过程稳定、可靠，小车的姿态信息采集实时性好，提高了自平衡小车稳定性和抗干扰能力。2、在角速度测量模块中，使用了高通滤波器和低通滤波器对输出信号进行处理，可以有效减小温漂带来的影响，高通滤波器能够去除输出的直流分量。同时，为了降低30-33kHz的噪声即角速度测量模块的谐振频率，采用一个截至频率(约为50kHz)比上述谐振频率更高的低通滤波器实现。3、本专利技术的系统具有体积小、控制过程简单、易于实现、测量精度高等优点。附图说明图1为本专利技术的一种单车轮小车平衡控制系统的结构框图。图2为角速度测量模块的电路图(水平方向)。图3为角速度测量模块的电路图(垂直方向)。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步详细说明。如图1所示，本专利技术的一种单车轮小车平衡控制系统，主要包括：计算机、信号传输模块、电源模块、直流电机驱动模块、车轮电机、主控制器、角速度测量模块、加速度测量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单车轮小车平衡控制系统，其特征在于，包括：主控制器；与主控制器相连的角速度测量模块，用于测量小车的角速度信号；与主控制器相连的加速度测量模块，用于测量小车的加速度信号；与主控制器相连的转速测量模块，用于测量小车的转速信号；与主控制器相连的方向测量模块，用于测量小车的方向信号；通过信号传输模块与主控制器相连的计算机；与计算机相连的直流电机驱动模块；与直流电机驱动模块相连的车轮电机；与信号传输模块和直流电机驱动模块相连的电源模块，用于给直流电机驱动模块、信号传输模块、主控制器、速度测量模块、加速度测量模块、转速测量模块、方向测量模块供电；通过主控制器利用卡尔曼滤波算法对角速度信号和加速度信号进行优化滤波处理，对所获得信号进行计算得到小车的姿态倾角数据；所述主控制器利用PID算法对姿态倾角数据、速度信号和方向信号进行计算得到用于驱动直流电机驱动模块的PWM信号，通过信号传输模块传输给计算机，计算机输出控制指令驱动直流电机驱动模块，驱动车轮电机运转，实现单车轮小车的姿态调整和平衡控制。

【技术特征摘要】
1.一种单车轮小车平衡控制系统，其特征在于，包括：主控制器；与主控制器相连的角速度测量模块，用于测量小车的角速度信号；与主控制器相连的加速度测量模块，用于测量小车的加速度信号；与主控制器相连的转速测量模块，用于测量小车的转速信号；与主控制器相连的方向测量模块，用于测量小车的方向信号；通过信号传输模块与主控制器相连的计算机；与计算机相连的直流电机驱动模块；与直流电机驱动模块相连的车轮电机；与信号传输模块和直流电机驱动模块相连的电源模块，用于给直流电机驱动模块、信号传输模块、主控制器、速度测量模块、加速度测量模块、转速测量模块、方向测量模块供电；通过主控制器利用卡尔曼滤波算法对角速度信号和加速度信号进行优化滤波处理，对所获得信号进行计算得到小车的姿态倾角数据；所述主控制器利用PID算法对姿态倾角数据、速度信号和方向信号进行计算得到用于驱动直流电机驱动模块的PWM信号，通过信号传输模块传输给计算机，计算机输出控制指令驱动直流电机驱动模块，驱动车轮电机运转，实现单车轮小车的姿态调整和平衡控制。2.根据权利要求1所述的一种单车轮小车平衡控制系统，其特征在于，所述主控制器采用意法半导体公司的STM32F103C8T6，该芯片是一种CortexM3内核的高性能MCU，运行时钟最高为72MHz，运算速度1.25DMIPS/MHz，片上64kBFlashROM、20kBRAM，内含7个定时器，能输出多路PWM信号。3.根据权利要求1所述的一种单车轮小车平衡控制系统，其特征在于，所述主控制器中的软件程序包括：数据采集程序、卡尔曼滤波程序、车速及运动方向检测程序、PID控制程序、直流电机PWM控制程序、信号传输模块数据处理程序。4.根据权利要求1所述的一种单车轮小车平衡控制系统，其特征在于，所述角速度测量模块的电路包括：电容(C1-C7)、电阻(R1-R9)，运算放大器、电压模块(E)、电压模块(F)；所述电压模块(E)的引脚(2)接地，引脚(3)接3.3V电源，电压模块(E)的引脚(2)和引脚(3)分别连接电容(C1)的两端；电压模块(E)的引脚(1)通过一电阻(R1)连接运算放大器的引脚(3)，电压模块(E)的引脚(4)通过一电阻(R2)连接运算放大器的引脚(2)；电阻(R1)的另一端连接电阻(R5)，电阻(R5)的另一端连接电阻(R3)一端和电阻(R4)一端，电阻(R3)另一端接地，电阻(R4)另一端连接3.3V电源，且电阻(R4)此端连接一电容(C2)，电容(C2)另一端接地；电阻(R2)的另一端连接电阻(R6)和运算放大器的引脚(2)，电阻(R6)的两端并联一电容(C3)；电阻(R6)的另一端连接运算放大器的引脚(1)，运算放大器的引脚(4)接地；由电阻(R1)和电阻(R2)组成高通滤波器，由电阻(R6)和电容(C3)组成低通滤波器，通过一个高通滤波器和一个低通滤波器输出信号进行处理，降低信号噪声；所述电压模块(F)的引脚(2)接地，引脚(3)接3.3V...

【专利技术属性】
技术研发人员：张传刚，
申请(专利权)人：国家电网有限公司，国网吉林省电力有限公司辽源供电公司，
类型：发明
国别省市：北京,11