摘要：笔者以飞思卡尔16位单片机MC9S12XS128为中心操控器，以二轮玩具车为操控目标，运用ENC-03RC陀螺仪传感器与MMA7361加快度传感器，通过运用匹配滤波算法完成二轮玩具车模歪斜视点的丈量。在此基础上，将二轮玩具车直立运动线性分化，规划出直立速度操控器。完成了二轮车直立运转。
进入21世纪以来，跟着我国城乡经济的高速开展，人们生活水平的进步，越来越多的人开端具有私家车，这在必定程度上造成了日益严重的交通压力。为了处理这一问题，人们开端研讨新的交通工具。与三轮车，四轮车等交通工具比较，两轮车具有的便于在狭隘空间运转，简便灵敏的车身以及易于寄存办理的特色，成为近年来的一个研讨热门，具有广泛的运用远景。鉴于此，本文以玩具车模(以下简称车模)为研讨目标，以现代电路电子先进的SMT技能为依托，运用先进的操控理论，对两轮车进行了深入研讨。
MC9S12XS128是飞思卡尔半导体公司推出的性价比较高的16位单片机。日本村田公司出产的丈量角速度的传感器ENC-03RC价格低廉，合作三轴视点丈量传感器MMA7361能够完成视点的丈量。本文以MC9S12XS128为中心操控器，以ENC-03RC和MMA7361为首要传感器，选用先进PID算法，规划了直立速度操控器，完成了车模的直立运转。
1 体系整体计划规划
1.1 车模歪斜视点的丈量
通过对倒竖摆的研讨能够发现，要完成车模的直立操控，需求战胜车模的重力影响。要做到这一点，有必要取得车模歪斜的视点以及角速度。这样，当车模往后歪斜时，通过得到的视点与角速度操控车模电机往后加快，当车模往前歪斜时，运用视点与角加快度的值使电机往前加快，然后坚持车模在平衡点直立。
独自运用视点传感器MMA7361能够丈量歪斜视点，再通过微分能够取得角速度，可是因为其存在必定的噪声，因而不适合用于直立操控。根据此，本文结合两种传感器，运用匹配滤波算法，完成视点与角速度的丈量。匹配滤波算法的原理框图如图1所示。
1.2 车模的直立操控
由图1.1可知，通过匹配滤波算法完成了车模视点的滑润，由陀螺仪传感器得到了角加快度的值。车模的直立操控是通过视点负反应操控，使其完成直立操控。运用份额操控，能够操控车模在平衡点直立。可是要确保车模具有较强的抗搅扰性，具有快速的呼应速度，即当车模遇到搅扰时能够快速安稳到平衡点，还需求用到微分操控，即参加车模的角加快度。这样，运用视点的份额与微分操控能够完成车模快速地安稳在平衡点(车模实践模型待画)。直立操控的原理图如图2所示。
1.3 车模的速度操控
为了处理陀螺仪传感器温漂以及传感器装置问题，能够通过参加速度操控来完成车模的平衡点安稳。通过车模的视点操控车模的直立是一个正反应的进程而不是负反应，这与其它常见的操控方法不同。其根本原因在于车模的重力方向与康复到平衡点的力的方向是相反的。当车模快速向一个方向歪斜时，为了改动运动方向，即改动车模的歪斜视点，这时应该施加正反应使电机加大力度，改动车模倾角，而不是减小电机操控量。所以速度反应是一个正反应。因为车模的执行组织是直流电机，通过操控电机完成对车模直立与速度操控，由电机拖动可知直流电机发生的力矩与电流的联系近似为
T=CeφIa (1)
其间Ce为电机常数，φ为电势常数，Ia为电枢电流。
从式(1)能够将电机看作一个线性组织。这样直立操控与速度操控能够看作两个操控器线性叠加在一起，并且相互之间是能够近似看作无耦合的。这时能够独立于直立操控，独自规划速度操控器。速度操控选用改进型PI操控器，图3表明了速度操控的原理框图：
车模直立运转的关键是直立操控与速度操控，根据陀螺仪与加快度计以及测速传感器能够完成。整个体系的原理框图如图4所示。
2 体系的硬件规划
体系硬件由首要由MC9S12XS128最小体系，电机驱动电路，速度传感器电路，陀螺仪与加快度计电路与调试电路等组成。测电机速度时选用单片机测速模块和计数器芯片CD4051B。电机驱动芯片选用集成驱动芯片BTS7960。调试电路运用PL2303芯片，将单片机中的信息传回到上位机。硬件体系框图如图5所示。
3 体系的软件规划
3.1 数字PID算法
模仿PID的表达式如式(2)所示
到这一步现已求得数字方位式PID的表达式。本文规划的直立与速度操控器的中心思维是从数字方位式PID表达式来的，下面阐明软件的各个部分。
3.2 软件各部分完成
体系的软件部分首要由传感器信号滤波处理，匹配滤波算法，直立操控算法以及速度操控算法组成。信号的采样在中止函数中处理。为了减轻噪声搅扰，在程序采取了中位值，平均值等几种算法结合的方法。匹配滤波算法用于取得车模的倾角与角加快度。直立操控算法用于取得车模直立操控量。速度操控算法运用PI算法完成车模的停止运转。
4 试验运用
本文的车模直立行走算法完成了基本功能。可是存在许多参数需求调整，首先在运用AD采样得到陀螺仪与加快度计信号值后，要减去静态值，然后需求加快度参数与陀螺仪参数进行归一化处理，得到实践的视点。一起，在匹配滤波算法中存在份额因子GTA需求调试。并且，在直立操控与速度操控中别离存在P参数，D参数，以及速度P参数，速度I参数。这些参数需求不断调试才干得到一个较好的作用。本文通过长时间测验，得到了必定的作用，图6表明匹配滤波算法算得的车模视点。
在该图中能够看到，蓝色的线毛刺较多，而别的那条线显着滑润，没有噪声，并且也很好地盯梢到了加快度计传回的视点，阐明达到了预期的作用。运用本文提出的直立速度操控算法，得到车模直立运转的作用，图7中设定车模速度为0，立在原地的作用图。
5 结束语
文中根据加快度传感器MMA7361与陀螺仪传感器ENC03-RC规划与完成了二轮直立车的速度与直立操控计划。试验证明，整个体系具有较强的抗搅扰才能与较快的动态呼应特性，二轮直立车能够很好地完成直立运转。
