电气工程及其自动化毕业设计-两轮自平衡车平衡控制系统的研究.doc

1、i本科毕业论文（20 届）两轮自平衡车平衡控制系统的研究所在学院专业班级 电气工程及其自动化学生姓名指导教师完成日期ii目 录摘要 .IAbstrat.II引言 .11 绪论 .11.1 两轮自平衡车的研究背景及研究意义 .11.1.1 两轮自平衡车的研究背景 .11.1.2 两轮自平衡车的研究意义 .21.2 两轮自平衡车的研究现状 .21.2.1 两轮自平衡车的国外研究现状 .21.2.2 两轮自平衡车的国内研究现状 .31.3 本课题的研究内容及目标 .42 自平衡系统的分析 .42.1 控制目标 .42.2 自平衡系统的控制学原理分析 .52.2.1 自平衡小车平衡原理解析 .52.2

2、.2 自平衡小车的运动学模型分析 .72.2.3 自平衡小车的数学建模 .93 系统硬件组成 .113.1 惯性测量单元 .113.1.1 MPU6050 芯片介绍 .113.1.2 MPU6050 数据处理 .123.1.3 数据滤波算法 .163.1.4 MPU6050 驱动电路 .203.2 主控单元 .203.3 电源模块 .213.3.1 LM2596 芯片介绍 .213.3.2 AMS1117 芯片介绍 .223.4 电机驱动模块 .233.5 编码器模块 .244 系统程序及算法 .254.1 MPU6050 获取数据 .254.1.1 MPU6050 初始化 .264.1.2

3、主函数中的姿态数据处理 .265 两轮自平衡车平衡控制的总结 .35iii5.1 设计的主要内容 .355.2 设计的不足 .36参考文献 .37致 谢 .38ivContentsAbstract .IIIntroduction .11 Exordium .11.1 The Background of self-balanced car.11.1.1 The Background .11.1.2 Research meaning of self-balance car .21.2 The present situation of research of self-balance .21.2.1

4、 Internetional situation .21.2.2 The research situation of China .31.3 Goal of this research .42 Analysis of self-balance system .42.1 The purpose of control system.42.2 Control Science Analysis.52.2.1 Balance Theory of self-balanced car .52.2.2 Kinesiology model analysis.72.2.3 Mathematical modelin

5、g .93 Hardware component.113.1 Inertial measurment uint.113.1.1 MPU6050 introduction .113.1.2 Date processing of MPU6050.123.1.3 Algorithm of data filter.163.1.4 Drive circuit of MPU6050.203.2 Main control unit .203.3 Power unit.213.3.1 Introduction of LM2596 .213.3.2 Introduction of AMS1117 .223.4

6、Motordriver unit .233.5 Encoder unit.244 Program and algorithm .254.1 MPU6050 get data .254.1.1 Initial of MPU6050.264.1.2 processing gesture data in main functiong .265 Summarize of balance controling of self-balance car.355.1 Main substance of this project .35v5.2 Blemish of this project.36Referen

7、ce documentation .37Thanks .38I两轮自平衡车平衡控制系统的研究摘要：自从在 2008 年北京奥运会上的精彩亮相，两轮自平衡车在中国市场已经逐渐为大众所接受。节能环保、便携新颖，两轮自平衡车以其独特的优势博取人们的青睐。又两轮自平衡小车以其一级倒立摆结构成为控制算法验证实现的独特平台。因此，两轮自平衡小车有较高的研究价值。本设计的重点是抓住两轮自平衡车的基础即平衡控制进行系统设计，结合姿态解算数据融合算法驱动直流电机以实现两轮小车的平衡控制。关键词：自平衡 姿态解算 数据滤波 倒立摆IIThe research of self-balanced car contro

8、l systemAbstract Since the first appearance at the 2008 Beijing Olympic Competition, two-wheel balanced car has been accepted by more and more people. The two-wheel balanced car has taken place of many peoples heart because of its special characteristic just as environmental protection and easy-take

9、n. The two-wheel self-balanced car has also become a unique platform of controlling algorithm because of its single inverted-pendulum structure. So the two-wheel self-balanced car has a high value to be studied. This designation was based on the basis of two-wheel balanced car and that is balanced-c

10、ontrol, using Inertial measurement unit to detect the gesture of the car and tackle the data with Kalman filter, driving the motor with the PID controller.Keywords: self-balanced; desture analysis; single data filter; inverted pendulum structure1引言新型交通方式越来越吸引人们的注意，北京奥运会上双轮自平衡车的亮相让人们眼前一亮。以电池作能源，清洁无污染

11、，便携、灵活、新颖等优势使自平衡车迅速博得消费者的青睐。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：一是其应用范围越来越广泛；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。

12、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。由于特殊的两轮结构，自平衡小车本身就是一个不稳定系统。如何让双轮小车在保持稳定的基础上实现前后行驶以及自由转向，成为一个技术上的问题。解决这一问题，将要用到机械设计和自动化专业的知识，涉及电子、机械、运动学、控制学等多学科知识。双轮自平衡车系统可

13、进一步抽象化为一级倒立摆结构。经过对一级倒立摆结构的数学建模和运动学分析，结合控制学原理，可以得出使双轮自平衡车保持动态稳定的几个条件。（详见第二章 自平衡系统的分析）双轮自平衡车平衡控制系统以 STM32F103C8T6 芯片作为主控芯片运用姿态传感器MPU6050，结合数据滤波算法进行数据融合，建立闭环控制系统驱动直流电机。再用编码器实时监测电机转速以反馈给主控系统，形成一个小闭环。最终能够实现双轮自平衡车的平衡控制。 （详见第三章 系统硬件组成）1 绪论双轮自平衡车是轮式机器人的一种，两轮自平衡机器人技术涉及机械、控制、力学、微电子等多个领域，本章从实际应用角度出发，阐述了两轮自平衡车的

14、实际研究价值及广阔的研究前景。1.1 两轮自平衡车的研究背景及研究意义21.1.1 两轮自平衡车的研究背景在私家车遍及千万家庭的当今社会，人们在面对长途旅行时可以有多样化的选择，但是中短途旅行所能做出的选择却捉襟见肘。自平衡小车以及新颖性、趣味性、便携性、实用性，正在吸引越来越多的人的关注。两轮自平衡车以其体积小、灵活度高等优势，进入市场便得到大众的青睐，众多公司中又以 Segway 公司的产品更为大众所认可。双轮自平衡车以其众多优势在面向以观光游览、休闲散心、购物代步为主的短途旅行成为得力的代步工具。1.1.2 两轮自平衡车的研究意义同时，两轮自平衡小车作为一种新式交通工具，以电力为能源，清

15、洁无污染，便携体积小，对于减小工作日里的交通拥堵，减轻环境污染程度，起到建设性的作用。两轮自平衡车作为代步工具，以其便携、灵活的特点为优势，可以在人员流动量大且占地面积大的公园、商场、展览馆、游乐场等作为首选代步工具。因此具有广阔的市场前景及应用价值。两轮自平衡车以电池为能源清洁环保无污染，推广两轮自平衡小车的使用，尤其在是以中短途为主的旅行中的使用，能有效的减轻环境污染问题。两轮自平衡车系统可以抽象化一级倒立摆，因此系统本身可以作为控制策略及算法的实施验证对象，有较高的研究价值与研究意义。两轮自平衡车的一级倒立摆系统与多旋翼飞行器的运动学系统相同，因此两轮自平衡车的研究可以为日后研究多旋翼飞

16、行器打下基础。同时两轮自平衡车系统用到的IMU（惯性测量单元）可以在多种实用、娱乐器件上应用，因此研究两轮自平衡车系统具有重要实际价值。1.2 两轮自平衡车的研究现状1.2.1 两轮自平衡车的国外研究现状两轮自平衡车的研究始于 1987 年的日本东京电信大学的山藤雄一教授 1。他提出了类似两轮自平衡系统的设计思想。1995 年美国人 Dean Kamen 与他的研发公司（DEKA Reasearch and Development Corp）发明了最早的双轮平衡机器人，取名 Segway。 7 年后，Segway 正式投入市场。该产品以动态稳定理论为基础，通过内置惯性测量单元，测量出驾驶者的身

17、体重心及车体姿态，由中央微处理器发出指令驱动电机调整车体以达到动态的实现自平衡的效果。3图 1-1 Segway 自平衡车同年，瑞士联邦工业大学研制出了可以对其遥控两轮自平衡机器人 JOE,其最大运动速度达到 1.5m/s。图 1-2 JOE2005 年日本的村田制作所在自平衡车系统的研究取得突破。此后，两轮自平衡车在控制系统与机械结构等方面都取得了长足的进步。1.2.2 两轮自平衡车的国内研究现状国内对自平衡机器人的研究起步较晚，但至今也取得了很大的进步。2005 年，哈尔滨工业大学研制出了采用 DSP 作为控制核心的两轮自平衡机器人。图 1-3 哈工大两轮自平衡车样机中国科学技术大学也研发制作了自己的两轮自平衡车，取名 Free Mover。Free Mover的最高时速能够达到 10km/h。由于从出现至今不过短短十年时间，两轮自平衡车现今仍不能作为一种新型交通方式。现在市面上只有 Segway 公司能够生产满足大众使用需求的产品。值得指出的是 2008年的北京奥运会上 Segway 公司的产品得到了露脸的机会在奥运会上执行安保任务的