智能平衡移动机器人(MATLAB/Simulink版·微课视频版)

"1. 例程丰富，内容翔实 本书既有经典实例（如，利用GPIO点亮一个LED灯），又有拓展实例（如，利用eCAP模块结合智能平衡移动机器人的超声波模块HC-SR04进行距离检测），既体现智能平衡移动机器人的基础知识（如，基础平衡控制系统框架搭建），又体现创新融合（如，利用红外循迹模块完成移动机器人循迹运动）。 2. 原理透彻，注重应用 将理论和实践有机地结合是进行智能平衡移动机器人研究和应用成功的关键。本书将智能平衡移动机器人控制的相关理论在硬件和软件方面进行了详细的叙述和透彻的分析，既体现了各知识点之间的联系，又兼顾了其渐进性。 3. 传承经典，突出前沿 本书提供了MBD工程开发方法：融合建模、仿真、实时控制、自动代码生成、硬件在环仿真、快速控制原型技术。 4. 资源丰富，便于教学 本书配套微课视频、教学课件、工程文件、教学大纲等资料。"

本书全面介绍了智能平衡移动机器人的应用平台搭建、平台的硬件电路、数字控制系统和一系列开发移动机器人的应用。这些应用由浅入深可分为3部分：基础外设应用、基于机器人外设的进阶应用、基于机器人外设的综合应用，这3部分应用构成了读者学习平衡移动机器人技术的阶梯。本书在此基础上着重介绍了基于模型设计的开发方法、TMS320F28069控制芯片的特点、引脚与功能，以及Embedded Coder Support Packages for Texa Instruments C2000的硬件支持包。综合来看，读者可以方便快捷地实现基础应用、进阶应用和综合应用的学习，同时获得更多关于机器人平台硬件、软件等多个方面的综合知识。本书适合作为高等院校机械、电气、自动化以及计算机专业高年级本科生和研究生的教材，同时可供对于基于模型的开发方法感兴趣的科研人员、从事MATLAB/Simulink开发的研究人员参考。

甄圣超，合肥工业大学副教授，机械电子工程专业，研究生导师，合肥工业大学智能制造技术研究院机器人创新平台负责人、动力学与控制研究中心主任。硕博期间，于美国佐治亚理工学院机电系师从Ye-Hwa Chen教授进行机器人动力学与控制理论的研究。主持合肥工业大学智能制造技术研究院机器人公共平台建设项目、国家自然科学基金青年科学基金项目与面上项目、中国博士后科学基金面上项目（一等资助）、浙江省重点研发项目等。主持机器人相关横向项目10余项。近5年来，致力于协作机器人、智能控制等方向的学术研究，在国际国内权威期刊上以第一作者或通讯作者发表论文40余篇，出版专著《机电系统动力学控制理论——U-K动力学理论的拓展与应用》，授权国家发明专利15项，软件著作权30余项。

第1章绪论视频讲解：6分钟（1集）
1.1背景介绍
1.1.1智能平衡移动机器人介绍
1.1.2智能平衡移动机器人应用
1.1.3基于模型设计与自动代码生成技术简介
1.2智能平衡移动机器人优势
1.3本书内容
1.3.1应用平台
1.3.2应用内容
1.3.3本书特色
1.4本章小结
第2章应用平台的搭建视频讲解：18分钟（3集）
2.1应用平台概述
2.1.1硬件平台
2.1.2软件平台
2.1.3MBD开发流程
2.2集成开发环境
2.2.1开发环境介绍
2.2.2软件安装及配置
2.2.3软件应用基础
2.2.4软件高级应用
2.3本章小结
第3章平台硬件电路介绍视频讲解：15分钟（2集）
3.1硬件电路接口设计
3.2主控制板电路
3.3电源管理电路
3.4电动机驱动电路
3.5直流电动机驱动H桥电路
3.6传感器与外设模块
3.6.1基于陀螺仪与加速度计的姿态测量
3.6.2蓝牙通信模块
3.6.3OLED显示模块
3.7本章小结
第4章数字控制系统视频讲解：17分钟（2集）
4.1数字信号处理器介绍
4.1.1TMS320F28069芯片特点
4.1.2处理器引脚及功能
4.2控制系统简介
4.3系统控制器
4.3.1速度控制器
4.3.2方向控制器
4.3.3系统控制框架
4.4本章小结
第5章基础应用视频讲解：72分钟（8集）
5.1GPIO
5.1.1GPIO_OUTPUT控制LED灯
5.1.2GPIO_INPUT扫描_NORMAL模式
5.1.3GPIO_INPUT扫描_EXTERNAL模式
5.1.4GPIO_INPUT中断控制LED灯
5.2ADC
5.2.1ADC基本原理
5.2.2ADC_NORMAL模式
5.2.3ADC_EXTERNAL模式
5.3Timer_IT
5.4ePWM
5.4.1ePWM_单路输出
5.4.2ePWM_双路互补输出
5.4.3ePWM_中断
5.5eCAP
5.5.1eCAP基本介绍
5.5.2eCAP捕获PWM脉冲
5.6SCI串行通信
5.6.1SCI通信基本原理
5.6.2SCI收发数据
5.7SPI串行通信
5.7.1SPI概述
5.7.2SPI控制PWM占空比
5.8IdelTask模块介绍
5.9WatchDog模块介绍
5.10本章小结
第6章进阶应用视频讲解：65分钟（7集）
6.1eCAP超声波测距
6.2ePWM电动机调速
6.3eQEP正交解码
6.3.1正交编码器QEP概述
6.3.2光电编码器电动机测速的基本原理
6.3.3eQEP正交解码模块使用说明
6.3.4编码器信号采集
6.4SIL软件在环测试
6.5PIL处理器在环测试
6.6SFunction
6.6.1使用手写SFunction合并定制代码
6.6.2使用SFunctionBuilder模块合并定制代码
6.6.3使用代码继承工具合并定制代码
6.7OLED12864显示
6.8MPU6050数据读取
6.9ADC电压采集
6.10本章小结
第7章综合应用视频讲解：27分钟（2集）
7.1平衡控制——直立环
7.1.1平衡控制原理
7.1.2平衡控制模型
7.1.3平衡控制中基于模型设计与自动代码生成技术
7.1.4平衡控制应用现象
7.2平衡控制——速度环
7.2.1应用原理
7.2.2速度控制模型
7.2.3速度控制应用现象
7.3APP控制
7.3.1应用原理
7.3.2APP控制模型
7.3.3APP控制应用现象
7.4红外循迹应用
7.4.1模块介绍
7.4.2使用原理
7.4.3模型搭建
7.5本章小结
参考文献

     第3章 CHAPTER 3 平台硬件电路介绍 本章的主要内容包括智能平衡移动机器人平台统一硬件接口电路的设计，关键的主控板、电源板、驱动板及其他传感器及拓展模块电路的设计。 视频讲解 3.1硬件电路接口设计 为了使智能平衡移动机器人达到更好的平衡控制效果，机器人的本体设计更为轻便、集中。机器人的硬件电路也进行集中化设计，整个机器人本体使用一块控制底板Forest S1，使其功能外设都能通过这块控制底板引出，这样大大提升了整车的集成度和控制的灵活性。移动机器人控制底板Forest S1的原理图与安装示意图分别如图3.1和图3.2所示。 图3.1Forest S1原理图 图3.2Forest S1安装示意图 硬件电路主要模块包括： 主控制器电路（包含了仿真电路）负责运行控制程序以及实现控制信号的输出与外部电平信号的采集，电源管理电路将锂电池的电压转换到主芯片、驱动芯片及其他传感器合适的工作电压，电动机驱动电路驱动电动机运行，传感器电路用于自身姿态和周围环境信息的采集以及其他拓展接口电路。 3.2主控制板电路 主控制器主要包括仿真电路与主控芯片电路，使得主控制板在脱离其他模块的时候也能够独立进行仿真与程序的运行，所有需要的功能引脚通过Forest S1主控板的引脚引出，主控制板的独立设计使得移动机器人的元器件集成度更高，便于机器人移动时的平衡控制，其主控制板电路结构如图3.3所示。 图3.3主控制板电路结构 通常在实时数字信号处理中，高层处理算法的特点是所处理的数据量与低层算法相比数据量少，但算法结构复杂，可以使用运算速度快、寻址方式灵活、通信机制强大的DSP芯片来实现。由于智能平衡式机器人本身结构上具有的不稳定性，要求姿态检测与相关控制量的计算能够达到一定的频率来实现更稳定的控制，为了实现更好的控制效率，控制器采用TI C2000系列DSP控制芯片TMS320F28069数字信号处理器，作为一种高效率的32位浮点CPU，其特有的eQEP功能即正交解码单元使得读取编码器信号变得简单，使得电动机的速度与位置信号能够被准确采集，其余外设功能丰富，具体特性如下所示。 （1） 内核。  高效率32位浮点CPU（TMS320C28x）。  主频90MHz（11.11ns 周期时间）。  哈佛(Harvard) 总线架构。  快速中断响应及处理。  高编码效率（采用C/ C++语言和汇编语言）。 （2） 运算。  浮点单元，具有本地单精度浮点运行功能。  可编程控制律加速器(CLA)。  32位浮点数学加速器。  对C28x指令集进行了扩展以支持复数乘法及循环冗余校验(CRC)。 （3） 存储。  嵌入式内存。  高达256KB内存。  容量高达100KB的RAM。 （4） 低功耗。  仅需单电源3.3V供电，无电源上电顺序要求。  低功耗操作模式。 （5） 时钟。  无须外部晶振，内部集成了两个独立的振荡器，每个振荡器频率为10MHz。  单片晶体振荡器/外部时钟输入。  支持动态PLL比率改变。  看门狗定时器模块。 （6） 增强的控制外设。  可支持所有外设中断的外设中断扩展(PIE)模块。  3个32位CPU定时器。  多达8个增强型脉宽调制器(ePWM)模块。  总共16个PWM通道［其中有8路能够支持高分辨率PWM(HRPWM)通道］。  每个模块中独立的16位定时器。  3个输入捕获(eCAP)模块。  2个正交编码器(eQEP)模块。  16通道12位ADC，双通道采样以及保持采样率高达3MSPS。  如果选择内部3.3V参考源，输入电压为0~3.3V。 （7） 串行接口外设。  多达2个串行通信接口(SCI)模块。  两个串行外设接口(SPI) 模块。  一根内置集成电路(IIC)总线。 主控制电路首先将USB口的5V电压通过TLV1117LV33芯片转换到3.3V为主控TMS320F28069芯片以及USB转串口芯片FT2232H供电，仿真电路与主控电路通过多通道的数字隔离芯片ISO7240、ISO7231与主控电路进行电磁隔离，保证主控电路的稳定运行； 其中93LC56BTIOT为2KB的Microwire兼容串行的EEPROM，用于存储烧写的仿真器固件。仿真电路如图3.4所示。 仿真电路采用的是XDS100V2 仿真器，从名称中可以反映出版本，对TI全系列芯片兼容。通过14引脚的接口进行仿真调试，支持TI公司的官方编译器CCS系列V6及以上版本，兼容多种PC操作系统以及MAC系统。其特性有： 支持USB 2.0高速接口，支持多种 图3.4仿真电路原理图 处理器如TMS320F28x、TMS320C28x、TMS320C54x、ARM9、ARM CortexA8、ARM CortexA9和CortexM3等，支持断电检测，自适应时钟支持Code Composer Studio V6和更高版本，主控电路引出引脚如图3.5所示。 图3.5主控芯片功能引脚原理图 JTAG相关引脚与FT2232相连，除了LED灯与KEY用到的I/O口以及CAN connector接口，其余功