大学毕业设计---基于arm的两轮自平衡车模型系统设计课程
两轮自平衡小车毕业设计毕业论文
两轮自平衡小车毕业设计毕业论文目录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)3.4.1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 (33)4.3.1陀螺仪与加速度计输出值转换 (33)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 (37)4.5两轮自平衡车的运动控制 (38)4.6本章小结 (40)5. 系统调试 (41)5.1系统调试工具 (41)5.2系统硬件电路调试 (41)5.3姿态检测系统调试 (42)5.4控制系统PID参数整定 (45)5.5两轮自平衡小车动态调试 (45)5.6本章小结 (46)6. 总结与展望 (47)6.1 总结 (47)6.2 展望 (47)参考文献 (48)附录 (49)附录一系统电路原理图 (49)附录二系统核心源代码 (50)致谢 (54)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。
1万8字 基于STM32单片机的两轮平衡车设计
论文题目：基于STM32单片机的两轮平衡车设计摘要本文主要讲述了如何使用微控制器STM32F103C8T6实现控制两个直流步进电机使平衡车能够达到平衡状态且可用手机蓝牙遥控。
本文首先对毕业设计进行方案的论证和选择。
本设计选择了ST公司的STM32F1系列单片机作主控MCU，采用编码直流无刷步进电机，TB6612FNG芯片作步进电机驱动，姿态传感器MPU6050作陀螺仪，0.96寸OLED液晶屏作显示屏，蓝牙模块作为特殊的通信串口与手机APP进行通信，锂电池电源在直流稳压后提供各个模块的所需的工作电压，使平衡车能够直立平衡。
然后本文介绍了STM32和系统的硬件电路设计方案，对直流稳压电路、姿态传感器、步进电机、OLED屏显示电路、驱动电路设计进行分析介绍，对STM32系统的设计流程、卡尔曼滤波算法及PID算法（步进电机控制算法）的原理和实现进行详细的说明，进行上位机程序的调试和工作的逻辑进行讲解。
最后本文讲述了毕业设计的机械安装与整机性能测试部分。
本设计在机械安装全部完成后，对上位机和通电后实际情况进行性能测试，通过观察数据和现象来判断平衡车系统的性能效果，在不同状态和场合下测试平衡车的抗干扰以及运动能力。
关键词：STM32，平衡，步进电机，互补滤波，PIDAbstractThis paper mainly describes how to use the microcontroller STM32F103C8T6 to realize the control of two dc stepper motors so that the balance car can reach the balance state and the bluetooth remote control of mobile phones.This article first carries on the demonstration and the choice to the graduation project project. This design chose the ST's STM32F1 series single chip microcomputer as main control MCU, using encoding brushless dc stepper motor, TB6612FNG chip for step motor drive, position sensors MPU6050 gyroscope, 0.96 inch OLED display LCD screen, bluetooth module as a special communication serial communication with the phone APP, lithium battery power after the dc voltage to provide various modules of the working voltage, you need to make balance of the car can upright balance.Then this paper introduces the STM32 and system design of hardware circuit, the dc voltage circuit, posture sensor, stepper motor, OLED display circuit, drive circuit design analysis is introduced, design process of the STM32 system, kalman filtering algorithm and PID algorithm (stepper motor control algorithm) of detail, the principle and implement of PC logic of the program debugging and work.Finally, this paper describes the graduation design of mechanical installation and machine performance testing part. After the mechanical installation is completed, the design tests the performance of the upper computer and the actual situation after electrification, judges the performance effect of the balance car system by observing data and phenomena, and tests the anti-interference and movement ability of the balance car in different states and occasions.Key words:STM32, Balance, Stepper motor, Complementary filter, PI目录摘要 (Ⅰ)Abstract (Ⅱ)第一章绪论 (1)1.1平衡技术的发展 (1)1.2 设计意义和应用背景 (1)1.2.1设计意义 (1)1.2.2 应用背景 (2)1.3主要工作及结构安排 (2)第二章系统方案设计 (3)2.1平衡原理 (3)2.2平衡小车的性能要求 (4)2.3系统总体设计框图 (4)2.4系统方案论证及选型 (5)2.4.1主控芯片MCU的选型 (5)2.4.2直流步进电机的选型 (5)2.4.3电机驱动的选型 (5)2.4.4解姿态算法的选型 (6)2.5本章小结 (6)第三章系统硬件设计 (7)3.1 STM32C8T6的核心板 (7)3.1.1 STM32最小系统 (8)3.1.2启动模式BOOT[1:0] (9)3.1.3 USB转TTL电路 (9)3.1.4 SWD接口 (11)3.2直流稳压电路 ....................................................................................... 错误!未定义书签。
两轮自平衡小车的设计毕业设计(论文)
本科毕业设计（论文）题目两轮自平衡小车的设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：日期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日注意事项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
基于单片机的智能两轮自平衡车的设计
TECHNOLLGY APPLICATION基于单片机的智能两轮自平衡车的设计■■沈阳工学院：赵一澎■■唱红■■夏靖坤■何金■刘莹1.■引言如今移动机器人面临的环境和任务越来越繁杂，在这种情况下，就需要移动机器人必须能够适应一些复杂的环境和危险的任务。
因此开展对两轮自平衡小车的研究，这项研究在该领域的科研水平具有很重要的现实意义。
1.1 两轮自平衡小车的研究意义在面临一些复杂环境和艰巨的任务时，移动机器人通常会碰到一些狭隘的危险工作，在面对这样如此艰难的环境，研究者们针对移动机器人如何灵活快捷的执行任务的问题进行了深度的研究。
正是在这样一个背景下两轮自平衡小车的概念被提出来。
两轮自平衡小车的优点在于可以适应复杂的环境和控制任务，可以保持车身的平衡，在安防或者军事上会有更广阔的应用前景。
1.2 两轮自平衡小车的技术1.2.1 数学建模建立系统的模型，建立的重点在于动力学方面，两轮自平衡小车的结构主要由车身和双轮子两部分构成。
对两轮自平衡小车的建模方法，采用经典的力学方法，对小车进行受力分析，可分为车轮模型和车身模型两部分，最后通过对两者的稳定型和能观性的分析判断出系统的最优状态方程。
1.2.2 姿态检测两轮自平衡小车通过检测小车的姿态来对小车进行控制。
加速度计和陀螺仪等惯性传感器可以实时、准确的检测两轮自平衡车的倾角。
因此，采用陀螺仪和加速度两个传感器相结合，通过融合的算法对于两轮自平衡小车来说是实现有效控制的关键所在。
1.2.3 控制算法控制技术是运动控制的核心，两轮自平衡车属于本质不稳定系统，利用传统的PID技术进行可行性分析，传感器将车体的运动速度和倾角等信息传递给系统控制器，是车轮转速与角度值保持一致，系统控制器将最终命令传递给电机驱动器来完成系统的闭环控制。
2.■系统概述两轮自平衡小车的组成很简单，保持小车平衡和运动都是通过控制两个车轮完成的。
在未对系统进行控制时，小车处于静止的状态，此时的车身的状态可能会出现前倾或后倾。
基于两轮自平衡小车的测控系统课程设计教学改革
基于两轮自平衡小车的测控系统课程设计教学改革1. 引言1.1 研究背景两轮自平衡小车是一种具有自主平衡能力的智能移动机器人，具有在不借助外部支撑的情况下保持平衡的能力。
随着人工智能和机器人技术的不断发展，两轮自平衡小车在教育领域中的应用日益广泛。
传统的测控系统课程设计通常注重理论知识的传授，缺乏实际操作和动手能力的培养，因此需要进行教学改革，以适应现代教育的发展需求。
在当前高等教育中，教学模式的转变是必然的趋势，传统的课堂讲授已不能满足学生的学习需求，因此需要将课程设计与实践相结合，培养学生的实际动手能力和创新思维。
基于两轮自平衡小车的测控系统课程设计教学改革正是针对这一需求而展开的重要举措。
通过引入实际操作环节，学生可以在课堂上亲自动手操控两轮自平衡小车，深入理解测控系统的原理和应用，提高他们的实际操作能力和问题解决能力。
这一教学改革将有助于激发学生的学习兴趣，培养他们的创新精神和团队合作意识，促进他们在未来的工程实践中发挥更大的作用。
1.2 问题陈述在传统的测控系统课程设计教学中，学生往往面临着难以真正理解理论知识、缺乏实践能力、缺乏创新思维等问题。
尤其是对于基于两轮自平衡小车的测控系统课程设计，学生需要掌握的知识和技能更加复杂和抽象，传统的教学方法已经不能完全满足学生的需求。
问题陈述部分主要关注的是如何有效解决传统测控系统课程设计教学中存在的种种问题。
具体来说，包括如何提高学生对测控系统理论知识的理解和应用能力，如何培养学生的实践操作技能和创新思维，如何激发学生学习的兴趣和潜能等方面的问题。
通过解决这些问题，可以提高学生的学习效果和实践能力，为他们未来的科研和工作奠定坚实的基础。
本课程设计的教学改革旨在通过创新教学内容和方法，优化实践教学环节设计，改进实验室建设，进行课程效果评估等措施，有效解决传统测控系统课程设计教学中存在的问题，提高学生的学习效果和实践能力，为培养具有创新精神和实践能力的测控领域专业人才做出积极贡献。
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。
基于ARM的应用实践_基于双核STM32的智能平衡车
图三：IR2136 驱动原理电路图
图中 C1、VD1 分别为自举电容和自举二极管，C2 为 VCC 的滤波电容。假定在 S1 关断期 间 C1 已经充到足够的电压（VC1≈VCC）。当驱动器的上桥臂输入为高电平，下桥臂输入为低 电平时，VM1 开通，VM2 关断，VC1 加到 S1 的门极和发射极之间，C1 通过 VM1，Rg1 和 S1 门 极栅极电容 Cgs1 放电，Cgs1 被充电。此时 VC1 可等效为一个电压源。当驱动器的上桥臂输 入为低电平，下桥臂输入为高电平时，VM2 开通，VM1 关断，S1 栅电荷经 Rg1、VM2 迅速释放， S1 关断。经短暂的死区时间之后，驱动器下桥臂输出变为高电平，S2 开通，VCC 经 VD1，S2 给 C1 充电，迅速为 C1 补充能量。如此循环下去。 本文使用上述驱动方式驱动主电路， STM32 控制器输出控制 PWM 信号作为驱动器 IR2136 的输入，控制 PWM 经过驱动器放大后控制主电路开关器件通断，最终产生驱动 PWM 驱动电机 运行。 ② 桥臂功率开关器件缓冲模块主电路采用 H 桥全桥驱动方式驱动有刷直流电动机。电机额 定电压 36V、额定电流 24A、额定输出功率 450W，双电机由双驱动器驱动。根据电机参数确 定电源电压为 24V，开关器件采用 MOSFET 管 IRFZ44N（漏源持续工作平均电流 49A、峰值电 流 160A、耐压 55V）。 首先，设计开关器件（MOSFET）栅极保护电路，如下图四所示。
（2）硬件设计
硬件架构分为电源模块、信号调理模块，控制器模块、驱动器模块，交互通信模块。 控制模块 CPU 实时采集传感信号并计算控制量。驱动器模块采用 H 桥为主电路驱动直流有刷 电动机，并用自举式驱动电路作为 STM32 与主电路之间的接口，来驱动主电路按控制器的指 定来工作。如下为主要硬件电路模块的分别阐述；
毕业设计 STM32平衡车设计与实现
毕业设计 STM32平衡车设计与实现1 简介Hi，大家好，学长今天向大家介绍一个单片机项目，大家可用于课程设计或毕业设计基于STM32的平衡车设计与实现1 课题描述课题的研究主要是为了设计出可以在小范围内活动的轻巧灵活的绿色代步工具,并且在自平衡的功能上加上一些新功能，如自跟随功能和遥控功能，这样平衡车不仅可以当作交通工具来使用还可以作为人们的助手，如可以制造出平衡车形式的拉杆箱、平衡车形式的超市购物车等。
平衡车技术起源于国外被叫作摄位车（Segway），在国内有被叫做平衡车、思维车、体感车，平衡车易于放置，便于携带。
公共场所、汽车、火车上都可以随意携带，平衡车不需要专用的场地，可以在马路、公园、林间小路甚至室内都可以骑行，所以它相比传统的四轮车是有很大的优势的。
两轮平衡车和单轮平衡车都可以在小范围内移动，不像传统的四轮车在小范围内很难转弯。
随着电子技术的不断发展，人们对行走功能的需求越来越高，平衡车应运而生。
电动平衡车的小巧轻便也给人们带来了很多便利。
同时，电动平衡车的电力驱动赋予了它绿色交通的使命，它的广泛普及对文明城市的建设和人居环境的改善具有重要意义。
电动平衡车为人们节省了大量的油费和时间。
与其他交通工具相比，它还具有价格优势，这使得大多数人都负担得起，维护起来也相对简单。
在平衡车上增加一些传感器，可以让人更好的控制它，同时还具有操控、墙障等功能。
比如增加自走功能，可以避免人们需要用手携带的缺点。
市面上常见的平衡车2 课题设计内容这个项目的核心是平衡车的控制系统，在平衡车稳定平衡的基础上对自跟随和无线遥控进行研究，并且计划使用 STM32 作为主处理器进行开发制作，由对倒立摆控制系统的分析进而分析平衡车的控制理论，其中包括直立行驶和转弯，还有自跟随的控制理论分析。
该项目的重点首先是要对 STM32 单片机的各个硬件系统有熟练使用的能力，这样才能对各模块进行正确的驱动设计。
其中，需要对 MPU6050 原始数据进行滤波处理，所以要通过对滤波算法的分析对 MPU6050 中的陀螺仪和加速度数据进行融合，使滤波后的结果可以满足设计要求。
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中北大学课程设计说明书学生姓名: *杰学号：*学院: 仪器与电子学院专业: *题目: 基于ARM的两轮自平衡车模型系统设计指导教师：李锦明职称: 副教授2015 年1 月30 日摘要近年来，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L3G4200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32位单片机Kinetis K60为控制核心，通过滤波算法实现车身控制，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。
关键词：两轮自平衡陀螺仪姿态检测卡尔曼滤波数据融合目录1 课程设计目的 (1)2 设计内容和要求 (1)2.1 设计要求 (1)2.2 研究意义 (1)2.3 研究内容 (2)3 设计方案及实现情况 (2)3.1 两轮平衡车的平衡原理 (2)3.2 系统方案设计 (3)3.3 系统最终方案 (6)3.4 系统软件设计 (9)3.5 电路调试 (16)4 课程设计总结 (18)参考文献 (19)附录 (20)致谢 (21)1 课程设计目的（1）掌握嵌入式系统的一般设计方法和设计流程；（2）学习嵌入式系统设计，掌握相关IDE开发环境的使用方法；（3）掌握ARM的应用；（4）学习掌握嵌入式系设计的全过程；2 设计内容和要求2.1 设计要求（1）学习掌握基于ARM Cortex-M4内核的Kinetis K60系列单片机的工作原理及应用；（2）学习掌握加速度计、陀螺仪的工作原理及应用；（3）设计基于PID控制的两轮自平衡车模型系统的工作原理图及PCB版图；2.2 研究意义近年来，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。
比如，户外移动机器人需要在凹凸不平的地面上行走，有时环境中能够允许机器人运行的地方比较狭窄等。
如何解决机器人在这些环境中运行的问题，逐渐成为研究者关心的问题[1]。
两轮自平衡机器人的概念正是在这样一个背景下提出来的，这种机器人区别于其他移动机器人的最显著的特点是：采用了两轮共轴、各自独立驱动的工作方式(这种驱动方式又被称为差分式驱动方式)，车身的重心位于车轮轴的上方，通过轮子的前后移动来保持车身的平衡，并且还能够在直立平衡的情况下行驶。
由于特殊的结构，其适应地形变化能力强，运动灵活，可以胜任一些复杂环境里的工作。
两轮自平衡机器人自面世以来，一直受到世界各国机器人爱好者和研究者的关注，这不仅是因为两轮自平衡机器人具有独特的外形和结构，更重要的是因为其自身的本质不稳定性和非线性使它成为很好的验证控制理论和控制方法的平台，具有很高的研究价值。
2.3 研究内容本课题设计了一款两轮自平衡小车，研究了车身姿态检测中陀螺仪与加速度传感器的互补特性，并根据其特性比较并设计滤波算法，包括卡尔曼滤波等常用滤波算法。
PID控制算法的实现以及直流电机调速的研究。
具体包括：(1) 机器人本体设计：包括机械，重心调整，电气系统设计等，为进一步研究提供良好的平台；(2) 信号调理及控制部分电路设计：陀螺仪输出信号需要经过进一步滤波放大，因此需要设计信号调理电路，同时控制核心需要构建相关输入输出模块及人际交互设备，因此需要对主控单元电路进行设计。
同时还需要设计直流电机驱动电路。
(3) 基于卡尔曼滤波的数据融合：由于陀螺仪测量的角速度只在短时间内稳定而加速度传感器的自身白噪声很严重，因此根据其互补特性设计卡尔曼滤波器以得到准确稳定的角度和角速度。
(4) PID控制算法：包括两路闭环控制。
小车的倾角闭环控制以及直流电机的闭环速度控制。
3 设计方案及实现情况3.1 两轮平衡车的平衡原理控制小车平衡的直观经验来自人类日常生活经验。
如人类身体拥有丰富的感知器官，通过大脑调节便可以控制腰部及腿部肌肉保持人体的直立。
而一般人通过简单训练就可以让一根直木棍在手指尖保持直立不倒。
这需要两个条件：一个是托着木棍的手指可以自由移动；另一个是人的眼睛可以观察木棍的倾斜角度与倾斜趋势(角速度)[4]。
这两个条件缺一不可，实际上这就是控制系统中的负反馈机制，如图1所示。
图1保持木棍直立的反馈控制系统自平衡车的控制也是通过负反馈来实现的，与在指尖保持木棍直立比较则相对简单。
由于小车只依靠两个车轮着地，车轮与地面会发生相对滚动使得小车倾斜。
而小车上装载的姿态检测系统能够对小车的倾斜状况进行实时检测，通过控制器控制车轮转动，抵消在这个维度上的倾斜力矩便可以保持小车平衡，如图2所示。
图2通过车轮转动保持小车平衡3.2 系统方案设计3.2.1 主控芯片方案方案一：采用ATMEL公司的AVR单片机AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆(32个寄存器文件)和单体高速输入/输出的方案(即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑)。
提高了指令执行速度(1Mips/MHz)，克服了瓶颈现象，增强了功能。
其中的一款单片机型号为Atmega128，有64个引脚，最高可达到16M主频，IIC，UART，SPI接口都比较丰富，但价格高。
方案二：采用宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2增强型51单片机作为主控芯片。
此芯片内置ADC(模数转换)和IIC总线接口，且内部时钟不分频，可达到1MPS。
性价比低。
考虑到此系统的复杂度，需要与传感器进行IIC通讯，输出灵活可控制的PWM信号，以及进行大量的数学运算。
从性能和价格上综合考虑选择方案一，即用Kinetis K60作为本系统的主控芯片，由于外设比较简单，只需要IIC和PWM通道，因此具体型号定位为K60N512VM100。
方案三：采用freescale公司Kinetis K60系列单片机作为主控芯片。
Kinetis K60系列单片机,工作电压1.71-3.6V,闪存的写电压为1.71-3.6V,采用ARM Cortex-M4内核,其性能可达1.25DhrystoneMIPS/MHz。
该系列提供高达180MHz的性能和IEEE1588以太网MAC，用于工业自动化环境中的精确的、实时的时间控制。
硬件加密支持多个算法，以最小的CPU 负载提供快速、安全的数据传输和存储。
系统安全模块包括安全密钥存储和硬件篡改检测，提供用于电压、频率、温度和外部传感（用于物理攻击检测）的传感器[2]。
3.2.2 姿态检测传感器方案本系统采用的加速度计是三轴加速度计MMA7260。
该加速度传感器是一种低g值的传感器，输出信号很大，不需要再进行放大。
通过GSEL1和GSEL2脚选择灵敏度，本系统设置其灵敏度为800mv/g[4]。
电路如图3所示。
图3 加速度计MMA7260接口电路图本方案采用的陀螺仪传感器为L3G4200。
L3G4200D 是意法半导体(ST)近日推出一款业界独创、采用一个感应结构检测3条正交轴向运动的3轴数字陀螺仪。
该3轴数字陀螺仪让用户可以设定全部量程，量程范围从±250 dps～±2000 dps，低量程数值用于高精度慢速运动测量，而高量程则用于测量超快速的手势和运动[4]。
这款器件提供一个16位数据输出，以及可配置的低通和高通滤波器等嵌入式数字功能。
与加速度传感器的数字接口一致，也是通过用SDA和SCL与主控芯片的硬件IIC接口进行通讯，采用3.3V供电，其应用电路如图4所示。
图4 陀螺仪传感器电路3.2.3 电机选择方案方案一：直流无刷电机。
直流无刷电机具有直流有刷电机机械特性好、调速范围宽等优点，而且无刷电机没有换向器和电刷，可靠性高，寿命长。
但是无刷电机的驱动电路复杂，而且在本设计中小车为实验性质，车身较小，市面上很难找到大小合适的直流无刷电机。
方案二：步进电机。
步进电机的选择角度正比于脉冲数，有较宽的调速范围，可以采用开环方式控制；步进电机有较大的输出转矩；有优秀的起制动性能；控制精度较高，误差不会累积。
但是步进电机步距角固定，分辨率缺乏灵活性，而且步进驱动时容易造成车体震荡，不利于小车的稳定。
步进电机虽然可以使用细分驱动方式克服上述缺点，但是细分驱动电路结构复杂，而且功耗增大不适合用于电池供电的应用上。
方案三：直流电机。
直流有刷电机具有机械特性硬，响应速度快，调速范围宽的特点，满足两轮自平衡小车对灵敏性、快速性等要求，虽然电机的电刷会是电机的寿命缩短，还会引发电磁干扰。
但是由于本设计负载较轻，换向器和电刷的损耗较低。
小车采用多层机械结构，电机驱动电路与其他电路分离，有效降低电磁干扰[5]。
综上所述，本设计使用两个7.2V的直流有刷电机驱动两轮自平衡小车模型。
3.3 系统最终方案使用K60为主控芯片，通过IIC 接口读取陀螺仪传感器L3G4200和加速度传感器MMA7260的数据，再将两者数据融合测出小车的姿态，最终通过PID 输出PWM 电机控制信号，由电机驱动完成对电机的控制。
此系统方框图如图5所示。
图5 系统方框图 3.3.1 主控电路本设计的两轮自平衡小车采用K60N512VM100单片机为主控芯片。
Kinetis k60是基于ARM Cortex-M4具有超强可扩展性的低功耗、混合信号微控制器。
主控及其外围电路如图6所示图6 主控芯片编码器电路 K60主控芯片 电机驱动 加速度传感器MMA7260陀螺仪L3G4200 状态显示K60N512VM100 芯片电源类引脚，BGA封装22个，LQFP封装27个，其中BGA 封装的芯片有五个引脚未使用（A10、B10、C10、M5 和L5）。
芯片使用多组电源引脚分别为内部电压调节器、I/O 引脚驱动、A/D 转换电路等电路供电，内部电压调节器为内核和振荡器等供电。
为了电源稳定，MCU 内部包含多组电源电路，同时给出多处电源引出脚，便于外接滤波电容。
为了电源平衡，MCU 提供了内部相连的地的多处引出脚，供电路设计使用[5]。
K60系列MCU具有IEEE1588以太网、全速和高速USB2.0 OTG、硬件解码能力和干预发现能力。
芯片从带有256KBflash的100引脚的LQFP封装到1MBflash的256引脚的MAPBGA 封装，具有丰富的电路、通信、定时器和控制外围电路。
高容量的K60系列带有一个可选择的单精度浮点处理单元、NAND控制单元和DRAM控制器。
这是一款非常稳定且有潜力的ARM控制系列的微控制器[3]。
3.3.2 电机驱动电路本设计中使用直流有刷电机作为两轮自平衡车的驱动电机，电机采用H桥驱动方式，使用脉宽调制方式调节电机两端电压有效值，达到调速的目的。