双轮自平衡小车机器人系统设计与制作
两轮自平衡智能机器人的设计与制作
Course Education Research
课程的学时一般都是在 48 到 64 个学时之间遥由于工程管理在工 程项目施工组织方面上学习到的专业知识比房地产经营与估价
的学生要多一些袁因此他们的学时就相对少一些遥 那么在对于房 地产经营与估价的学生而言袁 他们就要充分补充在施工组织尧建 筑工程基础等方面的基础知识袁这样有助于学生了解工程项目管 理的系统管理方式袁进而更好地对房地产项目进行经营管理遥
三尧从实践教学及课程项目设计的角度上分析 目前的高职的教育方式就是提倡学生能自主学习袁 通过实 践教学增强学生的专业素养和专业技术遥而叶工程项目管理曳这个 课程的各个章节内容相对比较独立袁任务联系也不紧密袁因此在 教学的过程中存在一定的难度袁所以要进行分项目的案例教学模 式遥 那么这样的情况下可以采用多媒体的教学模式袁 利用信息 技术的资源和力量袁以模块案例教学的形式教学遥 并在课上多点 组织学生的互动袁让学生以小组的形式完成一些案例的分析和管 理袁提高学生的参与度和增强学生的学习积极性袁以培养学生的 独立思考能力和独自解决问题的习惯和能力遥学校应该以不同难 度的项目对学生进行综合训练袁让学生能学会主动去学习袁自己 解决困难袁积极思考超前学习遥 那么在以后工作的过程中遇到的 麻烦和困难就不会无从下手遥 四尧课程建设方面的几点意见 第一袁考核方案的改革 大部分的高职都存在考核方案有漏洞和缺点的问题袁 那么 为了改善学校的管理和教学袁 学校都会在这些问题上进行改革遥
. All Rights Res两erv轮ed自. 平衡智能机器人的设计与制作
田啸宇 陈 扬 张 婷
渊上海工程技术大学工程实训中心 上海 201620冤
揖摘要铱本文主要介绍了两轮自平衡机器人的设计系统方案遥 该方案以 K60 系列单片机作为系统控制处理器袁采用陀螺仪尧加速
双轮平衡车的控制系统硬件设计方案小车机器人论文
摘要双轮自平衡车是一个高度不稳定两轮机器人，是一种多变量、非线性、绝对不稳定的系统，需要在完成平衡控制的同时实现直立行走等任务因其既有理论意义又有实用价值，双轮自平衡小车的研究在最近十年引起了大量机器人技术实验室的广泛关注。
本文主要介绍了双轮平衡车的控制系统硬件设计方案。
此方案采用ATmega328 作为核心控制器，在此基础上增加了各种接口电路板组成整个硬件系统，包括单片机最小系统，姿态检测模块，直流驱动电机控制模块，电源管理模块，测速编码模块，串口调试等模块。
对于姿态检测系统而言，单独使用陀螺仪或者加速度计，都不能提供有效而可靠的信息来保证车体的平衡。
所以采用一种简易互补滤波方法来融合陀螺仪和加速度计的输出信号，补偿陀螺仪的漂移误差和加速度计的动态误差，得到一个更优的倾角近似值。
本文先阐述了系统方案原理，再分别就各模块工作原理进行详细的介绍与分析，最终完成车模的制作和电路原理图以及1PCB 板的绘制。
最后根据调试情况对整个系统做了修改，基本达到设计要求。
关键词双轮自平衡车模块设计传感器AbstractTwo-wheeled self-balanced car is a highly unstable robots, it is a system with Multivariable, nonlinear and absolute instability, it needs to complete the balance control tasks such as walking upright because of both theoretical significance and practical value. Two-wheeled self-balanced car in the last decade has aroused widespread concern in the robotics laboratory.This paper describes the control system hardware design of the wheel balanced car.This program uses ATmega328 as the core controller,base on this increase of various interface circuit board to building the hardware system. Peripheral circuits including the smallest single-chip system, the gesture detection module, the DC drive motor control module, power management module, velocity encoding module and serial debugging module. For the posture monitoring system，the information solely depends on the gyroscope or the accelerometer couldn’t make sure the balance of vehide．So the signals from the gyroscope and accelerometer were integrated by a simple method of complementary filtering for an optimal angle to compensate the gyroscope drift error and the accelerometer dynamic error.This article first describes the principle of the system program，then described in detail each module how to working out, the final completion of car models produced and circuit schematics and the PCB drawing.In the end, according to debug the situation on the whole system changes, the hardware system basically reached the design requirements.Keywords two-wheeled self-balanced car modular design sensor目录前言 (1)第1章绪论 (2)1.1 设计的依据与意义 (2)1.2 国内外同类设计的概况综述 (3)1.3 设计要求与内容 (3)第2章总体硬件方案设计 (5)2.1 总体分析 (5)2.2 总体方案设计 (5)2.3 方案框图 (7)第3章单元模块设计 (8)3.1 姿态检测模块 (8)3.2 单片机控制单元模块电路 (14)3.3 电机驱动模块 (19)3.4 串行通信模块 (21)3.5 电源管理模块 (24)结论 (26)参考文献 (27)致谢 (28)附录 (29)前言自平衡车自动平衡运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”（DynamicStabilization）的基本原理上，也就是车辆本身的自动平衡能力。
双轮自平衡小车机器人系统设计与制作
燕山大学课程设计说明书题目：双轮自平衡小车机器人系统设计与制作学院（系）：机械工程学院年级专业：12级机械电子工程组号：3学生：指导教师：史艳国建涛艳文史小华庆玲唐艳华富娟晓飞正操胡浩波日期：2015.11燕山大学课程设计（论文）任务书摘要两轮自平衡小车是一种非线性、多变量、强耦合、参数不确定的复杂系统，他体积小、结构简单、运动灵活，适合在狭小空间工作，是检验各种控制方法的一个理想装置，受到广大研究人员的重视，成为具有挑战性的课题之一。
两轮自平衡小车系统是一种两轮左右并行布置的系统。
像传统的倒立一样，其工作原理是依靠倾角传感器所检测的位姿和状态变化率结合控制算法来维持自身平衡。
本设计通过对倒立摆进行动力学建模，类比得到小车平衡的条件。
从加速度计和陀螺仪传感器得出的角度。
运用卡尔曼滤波优化，补偿陀螺仪的漂移误差和加速度计的动态误差，得到更优的倾角近似值。
通过光电编码器分别得到车子的线速度和转向角速度，对速度进行PI控制。
根据PID控制调节参数，实现两轮直立行走。
通过调节左右两轮的差速实现小车的转向。
制作完成后，小车实现了在无线蓝牙通讯下前进、后退、和左右转向的基本动作。
此外小车能在正常条件下达到自主平衡状态。
并且在适量干扰下，小车能够自主调整并迅速恢复稳定状态。
关键词：自平衡陀螺仪控制调试前言移动机器人是机器人学的一个重要分支，对于移动机器人的研究，包括轮式、腿式、履带式以及水下式机器人等，可以追溯到20世纪60年代。
移动机器人得到快速发展有两方面原因：一是其应用围越来越广泛；二是相关领域如计算、传感、控制及执行等技术的快速发展。
移动机器人尚有不少技术问题有待解决，因此近几年对移动机器人的研究相当活跃。
近年来，随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，所面临的环境和任务也越来越复杂。
机器人经常会遇到一些比较狭窄，而且有很多大转角的工作场合，如何在这样比较复杂的环境中灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。
两轮自平衡小车毕业设计
两轮自平衡小车毕业设计毕业设计题目：两轮自平衡小车设计一、毕业设计背景与意义目前，智能机器人技术已经在各个领域得到广泛的应用，其中自平衡小车是一种非常具有代表性的机器人。
自平衡小车能够通过自身的控制系统来保持平衡姿态，并能够实现各种转向和动作。
因此，自平衡小车不仅能够广泛应用于工业生产中，还可以成为搬运、巡逻和助力等领域的优秀协助工具。
本毕业设计的目标是设计和实现一种能够自动控制、实现平衡的两轮自平衡小车。
通过这个设计，进一步探究并研究自平衡技术的原理及应用，增加对机器人控制系统和传感器的理解，提高对计算机控制和嵌入式系统的应用能力。
二、毕业设计的主要内容和任务1.研究和调研a)研究两轮自平衡小车的构造和原理；b)调研目前市场上相关产品，并分析其特点和存在的问题。
2.模块设计a)根据研究结果，设计自平衡小车的主要模块，包括平衡控制模块、动作控制模块和传感器模块；b)设计相关控制算法和策略，使小车能够保持平衡并能够实现转向和动作。
3.硬件搭建和调试a)根据模块设计的结果，搭建小车的硬件系统，包括选择适用的电机、陀螺仪、加速度计等；b)进行相应的调试和优化，保证小车的平衡和动作控制能力。
4.软件开发和系统集成a)开发小车的控制系统软件，包括实时控制系统和传感器数据处理等；b)将硬件系统和软件系统进行有机地集成，实现小车的平衡和动作控制。
5.实验和测试a)进行实验测试，验证设计的有效性和稳定性；b)进行相关的性能测试和比较研究。
三、设计预期成果1.自平衡小车的系统设计和实现，能够平衡姿态并能够实现转向和动作控制；2.控制系统软件的开发和优化，实现小车的实时控制和数据处理；3.相关模块和算法的设计和实现，如平衡控制模块和动作控制模块；4.实验和测试结果的总结和分析；5.毕业设计报告的撰写。
四、设计周期和工作安排1.阶段1：研究和调研阶段（1周）2.阶段2：模块设计阶段（2周）3.阶段3：硬件搭建和调试阶段（2周）4.阶段4：软件开发和系统集成阶段（2周）5.阶段5：实验和测试阶段（1周）6.阶段6：总结和报告撰写阶段（2周）五、预期解决的关键问题和技术难点1.小车平衡控制算法的设计和优化；2.小车动作控制算法的设计和优化；3.小车硬件系统与软件系统的有效集成；4.多个传感器数据的处理和融合。
两轮自平衡车控制系统的设计与实现
两轮自平衡车控制系统的设计与实现一、自平衡车系统概述1、定义自平衡车是一种以双轮直立结构/双轮平移结构的小型无线遥控电动车，最初由电动车作为主要的运动机构，但也有可能有其他特殊机构，进行实时控制，使其能够在平衡和模式控制下，保持水平稳定态，实现自动平衡、自主康复和自由行走。
2、系统功能自平衡车系统的功能是通过实时控制平衡并实现模式控制，使自平衡车实现自动平衡、自主康复和自由行走，从而达到智能化的操作目的，解决双轮自行车无主动平衡功能的问题。
二、系统设计1、硬件系统自平衡车的硬件系统由电池、ESC（电子转向控制器）、遥控组件、周边传感器组件、电路板组件等构成。
2、软件系统自平衡车的控制系统主要由ARMCortex-M0 MCU、单片机程序、PID算法组成。
三、系统实现1、硬件系统实施（1）第一步，在自平衡车上安装ESC，ESC的电池由智能充电器连接，使自平衡车进行自动充电；（2）第二步，给控制器方向键插上遥控器，使用户可以控制车辆移动；（3）第三步，在车辆上安装多个传感器，在控制板上增加芯片，使用户可以对车辆进行实时监测；（4）第四步，在控制板上安装一个ARM Cortex-M0 MCU处理器，将控制算法由单片机程序烧录形成可控制的处理系统。
2、软件系统实施（1）随着ARM处理器的安装，自平衡车可以被SONI的特殊的烧录器进行烧录，该程序可以控制车辆的转向和速度；（2）安装完毕后，需要建立多个变量从传感器接受数据，读取车辆的平衡状态，并控制车辆前后左右的运动；（3）最后，我们选择PID算法来实现车辆实时的控制，根据车辆当前的实际情况，调节PID距离和速度增量使自平衡车实现实时的模式控制。
四、结论本文介绍了自平衡车控制系统的设计思想和实现步骤，通过控制平衡，实现自动平衡、自主康复和自由行走，使得自平衡车有更多的功能，在以后的应用中，自平衡车的研究和应用实际会有很大的推动作用。
两轮自平衡机器人系统设计与实现
第ｏ ６ 期 ２ ０ １ ６ 年１ １ 月
电 子 科
Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｓ ｃ ｉ ｅ
。 Βιβλιοθήκη Ｖ ｏ １ ． ０ ３ Ｎｏ ． ０ ６ Ｎ Ｏ Ｖ ． ２ ０ １ ６
两 轮 自平衡 机 器 人 系统 设 计 与 实现
陈 国 军
（ 南京工程学院 ，江苏南京 ，２ １ １ １ ６ ７ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔｈｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏｆ ａ ｎｅ ｗ ｉ ｎ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｇ ｅ ｎ ｔ ｃ ｏ ｎｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｓ ｅ ｌ ｆ － ｂａ ｌ ａ ｎｃ ｉ ｎ ｇ ｔ ＷＯ — ｗｈ ｅ ｅ ｌ ｅ ｄ ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｙｓ ｔ ｅ ｍ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｓ ｔ ｍ３ ２ ｆ ４ ０７ ｉ ｓ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ． Ｔｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｃ ａ ｎ ｗｏ ｒ ｋ ｔ ｏ ａ ｃ ｈｉ ｅ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｌ ｆ ｂａ ｌ ａ ｎｃ ｉ ｎ ｇ
电子 科 学 技 术 ＵＲ Ｌ： ｈ ｔ ｔ ｐ ／ ／ ｗｗｗ ． ｃ ｈ ｉ ｎ ａ — ｅ ｓ ｔ ． ｃ ｏ ｎ． ｒ ｃ ｎ ＤＯＩ ：１ ０ ． １ ６ ４ ５ ３ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ２ ０ ９ ５ — ８ ５ ９ ５ ． ２ ０ １ ６ ． ０ ６ ． ０ ２ ６
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两轮自平衡小车的设计与实现
两轮自平衡小车的设计与实现一、本文概述随着科技的飞速发展，智能化、自主化已经成为现代机器人技术的重要发展方向。
两轮自平衡小车作为一种典型的动态稳定控制机器人，其设计与实现技术对于推动机器人技术的进步具有重要意义。
本文旨在深入探讨两轮自平衡小车的设计理念、实现方法以及关键技术，为相关领域的研究者和爱好者提供有益的参考。
本文将首先介绍两轮自平衡小车的基本概念和原理，阐述其动态稳定控制的基本思想。
随后，将详细介绍两轮自平衡小车的硬件设计，包括电机驱动、传感器选型、控制器设计等关键部分，并阐述各部件之间的协同工作原理。
在此基础上，本文将重点探讨两轮自平衡小车的软件实现，包括平衡控制算法、运动控制算法以及人机交互界面设计等。
本文还将对两轮自平衡小车的性能优化和实际应用进行深入分析，探讨如何提高其稳定性、响应速度以及续航能力等问题。
本文将对两轮自平衡小车的发展趋势和前景进行展望，为相关领域的研究和发展提供有益的参考。
通过本文的阐述，读者可以全面了解两轮自平衡小车的设计与实现过程，掌握其关键技术和应用方法，为推动机器人技术的发展做出贡献。
二、两轮自平衡小车的基本原理两轮自平衡小车，又称作双轮自稳车或双轮倒立摆，是一种基于动态稳定技术设计的个人交通工具。
其基本原理主要涉及到力学、控制理论以及传感器技术。
两轮自平衡小车的稳定性主要依赖于其独特的力学结构。
与传统三轮或四轮的设计不同，双轮自平衡小车只有两个支撑点，这意味着它必须通过动态调整自身姿态来维持稳定。
这种动态调整的过程类似于杂技演员走钢丝，需要精确的平衡和快速的反应。
实现自平衡的关键在于控制理论的应用。
两轮自平衡小车通常搭载有先进的控制系统，该系统通过传感器实时监测小车的姿态（如倾斜角度、加速度等），并根据这些信息计算出必要的调整量。
控制系统随后会向电机发送指令，调整小车的运动状态，以保持平衡。
传感器在两轮自平衡小车中扮演着至关重要的角色。
常见的传感器包括陀螺仪、加速度计和角度传感器等。
毕业设计(论文)-两轮自平衡小车的设计
本科毕业设计（论文）题目两轮自平衡小车的设计学院电气与自动化工程学院年级专业班级学号学生姓名指导教师职称论文提交日期两轮自平衡小车的设计摘要近年来，两轮自平衡车的研究与应用获得了迅猛发展。
本文提出了一种两轮自平衡小车的设计方案，采用陀螺仪ENC-03以及MEMS加速度传感器MMA7260构成小车姿态检测装置，使用卡尔曼滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合。
系统选用飞思卡尔16位单片机MC9S12XS128为控制核心，完成了传感器信号的处理，滤波算法的实现及车身控制，人机交互等。
整个系统制作完成后，各个模块能够正常并协调工作，小车可以在无人干预条件下实现自主平衡。
同时在引入适量干扰情况下小车能够自主调整并迅速恢复稳定状态。
小车还可以实现前进，后退，左右转等基本动作。
关键词：两轮自平衡陀螺仪姿态检测卡尔曼滤波数据融合IDesign of Two-Wheel Self-Balance VehicleAbstractIn recent years, the research and application of two-wheel self-balanced vehicle have obtained rapid development. This paper presents a design scheme of two-wheel self-balanced vehicle. Gyroscope ENC-03 and MEMS accelerometer MMA7260 constitute vehicle posture detection device. System adopts Kalman filter to complete the gyroscope data and accelerometer data fusion.，and adopts freescale16-bit microcontroller-MC9S12XS128 as controller core. The center controller realizes the sensor signal processing the sensor signal processing, filtering algorithm and body control, human-machine interaction and so on.Upon completion of the entire system, each module can be normal and to coordinate work. The vehicle can keep balancing in unmanned condition. At the same time, the vehicle can be adjusted independently then quickly restore stability when there is a moderate amount of interference. In addition, the vehicle also can achieve forward, backward, left and right turn and other basic movements.Key Words: Two-Wheel Self-Balance; Gyroscope; Gesture detection; Kalman filter; Data fusionII目录1.绪论 (1)1.1研究背景与意义 (1)1.2两轮自平衡车的关键技术 (2)1.2.1系统设计 (2)1.2.2数学建模 (2)1.2.3姿态检测系统 (2)1.2.4控制算法 (3)1.3本文主要研究目标与内容 (3)1.4论文章节安排 (3)2.系统原理分析 (5)2.1控制系统要求分析 (5)2.2平衡控制原理分析 (5)2.3自平衡小车数学模型 (6)2.3.1两轮自平衡小车受力分析 (6)2.3.2自平衡小车运动微分方程 (9)2.4 PID控制器设计 (10)2.4.1 PID控制器原理 (10)2.4.2 PID控制器设计 (11)2.5姿态检测系统 (12)2.5.1陀螺仪 (12)2.5.2加速度计 (13)2.5.3基于卡尔曼滤波的数据融合 (14)2.6本章小结 (16)3.系统硬件电路设计 (17)3.1 MC9SXS128单片机介绍 (17)3.2单片机最小系统设计 (19)3.3 电源管理模块设计 (21)3.4倾角传感器信号调理电路 (22)III3.4.1加速度计电路设计 (22)3.4.2陀螺仪放大电路设计 (22)3.5电机驱动电路设计 (23)3.5.1驱动芯片介绍 (24)3.5.2 驱动电路设计 (24)3.6速度检测模块设计 (25)3.6.1编码器介绍 (25)3.6.2 编码器电路设计 (26)3.7辅助调试电路 (27)3.8本章小结 (27)4.系统软件设计 (28)4.1软件系统总体结构 (28)4.2单片机初始化软件设计 (28)4.2.1锁相环初始化 (28)4.2.2模数转换模块（ATD）初始化 (29)4.2.3串行通信模块（SCI）初始化设置 (30)4.2.4测速模块初始化 (31)4.2.5 PWM模块初始化 (32)4.3姿态检测系统软件设计 (32)4.3.1陀螺仪与加速度计输出值转换 (32)4.3.2卡尔曼滤波器的软件实现 (34)4.4平衡PID控制软件实现 (36)4.5两轮自平衡车的运动控制 (37)4.6本章小结 (39)5. 系统调试 (40)5.1系统调试工具 (40)5.2系统硬件电路调试 (40)5.3姿态检测系统调试 (41)5.4控制系统PID参数整定 (43)5.5两轮自平衡小车动态调试 (44)IV5.6本章小结 (45)6. 总结与展望 (46)6.1 总结 (46)6.2 展望 (46)参考文献 (47)附录 (48)附录一系统电路原理图 (48)附录二系统核心源代码 (49)致谢 (52)V常熟理工学院毕业设计（论文）1.绪论1.1研究背景与意义近年来，随着电子技术的发展与进步，移动机器人的研究不断深入，成为目前科学研究最活跃的领域之一，移动机器人的应用范围越来越广泛，面临的环境和任务也越来越复杂，这就要求移动机器人必须能够适应一些复杂的环境和任务。
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燕山大学课程设计说明书题目：双轮自平衡小车机器人系统设计与制作学院（系）：机械工程学院年级专业：12级机械电子工程组号：3学生：指导教师：史艳国建涛艳文史小华庆玲唐艳华富娟晓飞正操胡浩波日期： 2015.11燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：机械工程学院基层教学单位：机械电子工程系摘要两轮自平衡小车是一种非线性、多变量、强耦合、参数不确定的复杂系统，他体积小、结构简单、运动灵活，适合在狭小空间工作，是检验各种控制方法的一个理想装置，受到广大研究人员的重视，成为具有挑战性的课题之一。
两轮自平衡小车系统是一种两轮左右并行布置的系统。
像传统的倒立一样，其工作原理是依靠倾角传感器所检测的位姿和状态变化率结合控制算法来维持自身平衡。
本设计通过对倒立摆进行动力学建模，类比得到小车平衡的条件。
从加速度计和陀螺仪传感器得出的角度。
运用卡尔曼滤波优化，补偿陀螺仪的漂移误差和加速度计的动态误差，得到更优的倾角近似值。
通过光电编码器分别得到车子的线速度和转向角速度，对速度进行PI控制。
根据PID控制调节参数，实现两轮直立行走。
通过调节左右两轮的差速实现小车的转向。
制作完成后，小车实现了在无线蓝牙通讯下前进、后退、和左右转向的基本动作。
此外小车能在正常条件下达到自主平衡状态。
并且在适量干扰下，小车能够自主调整并迅速恢复稳定状态。
关键词：自平衡陀螺仪控制调试前言移动机器人是机器人学的一个重要分支，对于移动机器人的研究，包括轮式、腿式、履带式以及水下式机器人等，可以追溯到20世纪60年代。
移动机器人得到快速发展有两方面原因：一是其应用围越来越广泛；二是相关领域如计算、传感、控制及执行等技术的快速发展。
移动机器人尚有不少技术问题有待解决，因此近几年对移动机器人的研究相当活跃。
近年来，随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，所面临的环境和任务也越来越复杂。
机器人经常会遇到一些比较狭窄，而且有很多大转角的工作场合，如何在这样比较复杂的环境中灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。
双轮自平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的。
两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器人，是一种多变量、非线性、强耦合的系统，是检验各种控制方法的典型装置。
同时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。
因为它既有理论研究意义又有实用价值，所以两轮自平衡小车的研究在最近十年引起了大量机器人技术实验室的广泛关注。
本论文主要叙述了基于stm32控制的两轮自平衡小车的设计与实现的整个过程。
主要容为两轮自平衡小车的平衡原理，直立控制，速度控制，转向控制及系统定位算法的设计。
通过此设计使小车具备一定的自平衡能力、负载承载能力、速度调节能力和无线通讯功能。
小车能够自动检测自身机械系统的倾角并完成姿态的调整，并在加载一定重量的重物时能够快速做出调整并保证自身系统的自我平衡。
能够以不同运动速度实现双轮车系统的前进、后退、左转与右转等动作，同时也能够实现双轮自平衡车系统的无线远程控制操作目录摘要 (I)前言 (II)第1章项目任务 (1)1.1 项目概述 (1)1.2 项目容 (2)1.3 预期结果 (2)第2章方案设计 (2)2.1 芯片的选择 (2)2.2 电机驱动的选择 (2)2.3 陀螺仪的选择 (3)第3章平衡车控制原理 (4)3.1 控制系统要求分析 (4)3.2 平衡控制原理 (5)3.3 平衡车数学模型 (5)3.4 PID控制原理 (9)3.5 PWM调速原理 (10)第4章硬件设计 (11)4.1 电路原理图 (11)4.2 芯片的电路设计 (11)4.3 电机驱动的电路设计 (12)4.4 陀螺仪的电路设计 (13)4.5 编码器的电路设计 (14)第5章平衡车结构设计 (15)5.1 元件清单及成本 (15)5.2 三维建模 (16)第6章软件设计 (18)6.1 程序框图 (18)6.2 源代码 (18)第7章实验测试 (19)7.1 keil软件简介 (19)7.2 测试过程及结果 (19)7.3 最终实物图 (20)第8章市场前景调查分析 (21)结论 (22)心得体会 (23)参考文献 (24)致 (25)附录1 (26)第1章项目任务1.1项目概述移动机器人是机器人学的一个重要分支，对于移动机器人的研究，包括轮式、腿式、履带式以及水下式机器人等，可以追溯到20世纪60年代。
移动机器人得到快速发展有两方面原因：一是其应用围越来越广泛；二是相关领域如计算、传感、控制及执行等技术的快速发展。
移动机器人尚有不少技术问题有待解决，因此近几年对移动机器人的研究相当活跃。
近年来，随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，所面临的环境和任务也越来越复杂。
机器人经常会遇到一些比较狭窄，而且有很多大转角的工作场合，如何在这样比较复杂的环境中灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。
双轮自平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的。
两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器人，是一种多变量、非线性、强耦合的系统，是检验各种控制方法的典型装置。
同时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。
因为它既有理论研究意义又有实用价值，所以两轮自平衡小车的研究在最近十年引起了大量机器人技术实验室的广泛关注。
本文是对本质不稳定两轮小车自平衡控制问题的研究。
并通过无线蓝牙远程控制小车前进、后退、和左右转向等基本动作。
1.2项目容（1）设计两轮自平衡小车驱动电路。
选择合适的电机、传感器和微控制单元并合理设计相应的外围电路，最终完成两轮自平衡小车系统的硬件设计。
（2）完成驱动板的调试。
通过对驱动触发脉冲、D/A输出以及电机空载进行实验，从功能上验证了其驱动板基本能够满足系统的要求。
（3）处理传感器数据。
选用惯性导航器件陀螺仪和加速度计，详细分析两者的工作原理和各自单独使用所存在的问题。
（4）研究自平衡小车的控制策略。
最终实现平衡车的左转、右转、前进、后退等功能。
1.3预期结果（1）具备一定的自平衡能力，自动检测自身机械系统的倾角并完成姿态的调整；（2）具备一定的负载承载能力，在加载一定重量的重物时能够快速做出调整并保证自身系统的自我平衡；（3）具备速度调节能力，能够以不同运动速度实现双轮车系统的前进、后退、左转与右转等动作；（4）具备无线通讯功能，能够实现双轮自平衡车系统的无线远程控制操作。
第2章方案设计2.1 主控芯片的选择STM32单片机作为主控芯片。
此芯片是以ARM的Cortex-M系列为核的单片机，相对其他单片机，外设丰富，主频高，价格便宜，有专门的软件库，操作简单，调试方便，低功耗。
强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。
2.2 电机驱动的选择TB6612FNG是东芝半导体公司生产的一款直流电机驱动器件，它具有大电流MOSFET-H桥结构，双通道电路输出，可同时驱动2个电机。
TB6612FNG每通道输出最高1.2 A的连续驱动电流，启动峰值电流达2A/3.2 A(连续脉冲/单脉冲);4种电机控制模式：正转/反转/制动/停止;PWM支持频率高达100 kHz;待机状态;片低压检测电路与热停机保护电路;工作温度：-20～85℃;SSOP24小型贴片封装。
TB6612FNG的主要引脚功能（如图2.2.1）：AINl/AIN2、BIN1/BIN2PWMA/PWMB为控制信号输入端;AO1/A02、B01/B02为2路电机控制输出端;STBY为正常工作/待机状态控制引脚;VM(4.5～15 V)和VCC(2.7～5.5 V)分别为电机驱动电压输入和逻辑电平输入端。
图2.1 TB6612FNG引脚TB6612FNG是基于MOSFET的H桥集成电路，其效率高于晶体管H桥驱动器。
相比L293D 每通道平均600 mA的驱动电流和1.2 A的脉冲峰值电流，它的输出负载能力提高了一倍。
相比L298N的热耗性和外围二极管续流电路，它无需外加散热片，外围电路简单，只需外接电源滤波电容就可以直接驱动电机，利于减小系统尺寸。
对于PWM信号，它支持高达100 kHz的频率，相对以上2款芯片的5 kHz和40 kHz也具有较大优势。
2.3 陀螺仪的选择MPU-60X0 是全球首例9 轴运动处理传感器。
它集成了3 轴MEMS 陀螺仪，3 轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP（Digital Motion Processor），可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。
扩展之后就可以通过其I2C 或SPI 接口输出一个9 轴的信号（SPI 接口仅在MPU-6000 可用）。
MPU-60X0 也可以通过其I2C 接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。
MPU-60X0 对陀螺仪和加速度计分别用了三个16 位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。
为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量围都是用户可控的，陀螺仪可测围为±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度计可测围为±2，±4，±8，±16g。
一个片上1024 字节的FIFO，有助于降低系统功耗。
和所有设备寄存器之间的通信采用400kHz 的I2C 接口或1MHz 的SPI 接口（SPI 仅MPU-6000 可用）。
对于需要高速传输的应用，对寄存器的读取和中断可用20MHz 的SPI。
另外，片上还嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有±1%变动的振荡器。
芯片尺寸4×4×0.9mm，采用QFN 封装（无引线方形封装），可承受最大10000g 的冲击，并有可编程的低通滤波器。
关于电源，MPU-60X0 可支持VDD 围2.5V±5%，3.0V±5%，或3.3V±5%。
另外MPU-6050 还有一个VLOGIC 引脚，用来为I2C 输出提供逻辑电平。
VLOGIC 电压可取1.8±5%或者VDD。
第3章平衡车控制原理3.1 控制系统要求分析根据系统要求，小车必须要能够在无外界干预下依靠一对平行的车轮保持平衡，并完成前进，后退，左右转弯等动作。
分析系统要求可知，保持小车直立和运动的动力都来自于小车的两只车轮，车轮由两只直流电机驱动。
因此，从控制角度来看，可以将小车作为一个控制对象，控制输入量是两个车轮的转动速度。
整个控制系统可以分为三个子系统：（1）小车平衡控制以小车倾角为输入量，通过控制两个电机的正反转保持小车平衡。