1、I 两轮自平衡小车的设计 摘要 最近这几年来，自平衡电动车的研发与商用获得了快速发展。自平衡车具有 体积小，运动十分灵活，便利，节能等特点。本文提出了一种双轮自平衡小车的设计方案，机械结构采用了双轮双马达驱动；控制主要采用的是反馈调节，为了使车体更好的平衡，使用了PID调节方式；硬件上采用陀螺仪 GY521 MPU-6050来采集车体的旋转角度以及旋转角加速度，同时采用了加速度传感器来间接测量车体旋转角度。采用意法半导体 ST公司的低功耗控制器芯片 stm32作为主控，采集上述传感器信息进行滤波，分析等操作后进而控 制马达的驱动，从而达到反馈调节的闭环，实现小车的自动平衡。系统设计，调试完成后
2、，能够实现各个功能部件之间协调工作，在适度的干扰情形下仍然能够保持平衡。同时，也可以使用手机上的 APP通过蓝牙与小车通信控制小车的前进和后退以及转弯。 关键词： 自平衡小车 陀螺仪传感器 滤波 APP II Design of Two-Wheel Self-Balance Vehicle Abstract In the last few years, with the development of commercial self balancing electric vehicle was developed rapidly. Self balancing vehicle has the a
3、dvantages of small volume, the movement is very flexible, convenient, energy saving etc. This paper presents a two wheeled self balancing robot design, mechanical structure adopts double motor drive; controlled mainly by the feedback regulation, in order to make the balance of the body better, with
4、the PID regulation; hardware using gyroscope GY521 mpu-6050 to collect the rotation angle of the car body and the rotation angle acceleration. At the same time, acceleration sensor to measure indirectly body rotation angle. St, the low power consumption controller STM32 chip used as the main control
5、, collecting the sensor information filtering, analysis backward and control motor drive, so as to achieve close loop feedback regulation, the realization of the car automatic balance. System design, debugging is completed, the coordination between the various functional components can be achieved,
6、in the case of moderate interference can still maintain a balance. At the same time, you can also use the APP on the mobile phone with the car to control the cars forward and backward and turning. Key Words: Self balancing car gyroscope sensor filter APP III 目 录 1.绪论 .1 1.1 研究背景与意义 . 1 1.2 自平衡小车的设计要
7、点 . 1 1.2.1 整体构思 . 1 1.2.2 姿态检测系统 . 1 1.2.3 控制算法 . 2 1.3 本文主要研究目标与内容 . 2 1.4 论文章节安排 . 错误 !未定义书签。 2. 系统原理分析 .4 2.1 控制系统要求分析 . 4 2.2 平衡控制原理分析 . 4 2.3 自平衡小车数学模型 . 5 2.3.1 两轮自平衡小车受力分析 . 5 2.4 PID 控制器设计 . 7 2.4.1 PID 控制器原理 . 7 2.4.2 PID 控制器设计 . 8 3.系统硬件电路设计 .8 3.1 硬件电路整体框架： . 8 3.2 系统运作流程介绍： . 9 3.3 下面分各
8、个部分进行介绍： . 9 3.3.1 电源供电部分： . 9 3.3.2 主控制器部分： . 9 3.3.3 陀螺仪传感器部分： . 11 3.3.4 马达驱动电路 :. 12 3.3.5 测速部分： . 13 3.3.7 蓝牙通信部分： ZK-07 . 14 3.4 本章小结 . 15 4.系统软件设计 . 15 4.1 软件系统总体结构 . 15 4.2 系统初始化过程 . 16 4.2.1 模数转换模块（ AD）初始化设置 . 16 4.2.2 通用串行通信 USART 初始化 . 16 4.2.3 光栅法测速模块初始化 . 16 4.3 平衡 PID 控制软件实现 . 17 4.4 两
9、轮自平衡车的运动控制 . 18 5. 总结与展望 . 19 5.1 总结 . 19 5.2 展望 . 19 参考文献 . 20 附 录 . 21 湖北大学本科毕业论文（设计） 1 1.绪论 1.1 研究背景与意义 随着科技的发展与进步，最近这些年来，移动机器人产业的发展和创新日新月异，人们的生活也越来越离不开各式各样的机器人。小到家里使用的扫地机器人，全自动洗衣机，生产线上的自动点焊机，以及现在炙手可热的无人驾驶汽车。这些都得益于移动机器人机器人的使用领域愈来愈多，以及机器人行业的基础技术也越来越成熟。 本文提出的自平衡车就是众多机器人中的一种。由于只有两个轮子，所以体积相对其他移动机器人可以
10、做的很小，能够适应比较狭窄的空间。同时，由于采用双轮驱动，移动起来也十分灵活，甚至可以做到原地旋转。由 于其轻便，运动灵活，适应面广，节约能源，环保等种种优点使得它的发展和应用前景非常地广阔。 同时在理论研究方面，平衡车，作为一个控制系统，由于重力的存在，自平衡小车原本是不能自主保持站立的，需要依靠对轮的合适的控制来实现车身的平衡。通过马达的驱动来控制车轮的旋转状态，陀螺仪 加速度计等 MEMS 传感器，算法，微控制器以及车体的机械结构装置联动的协调来控制小车的平衡，是一个集合了传感器测量，干扰去除，数据分析，实时处理，行为操作与执行的多个环节的综合控制系统。 系统的动态响应要求较高，传感器的
11、数据要进行滤波和分 析后才能作为控制信息。因此对自动控制系统要有比较深刻的认识，具有很强的学习探究价值。 1.2 自平衡小车的设计要点 1.2.1 整体构思 平衡车整体设计包括的内容有：车体结构设计，硬件电路设计，软件算法设计和实现。在小车的结构设计上，应该尽可能的保证车体重心在车体的中央，同时重心尽可能的低，这样能够增加车体本身的本征稳定性，减轻后面系统算法和调试的难度。 在小车的硬件设计上，电源必须要能够稳定的输出，并且满足马达驱动对功率的需求。同时，为了后期方便调试，应该留出一些比如电位器以及程序烧录的调试接口，可大大简化后期调试过程和节约大量调试时间。为了后期方便更换器件，将主板设计成
12、了接插口的方式。 在小车的软件设计上，主要的难度在于对传感器数据的滤波和融合分析以及 PID 调试上。 1.2.2 姿态检测系统 双轮自平衡小车通过陀螺仪 GY521 MPU-6050，加速度传感器， stm32 控制器，以及双轮马达驱动构成了闭环控制，而当前姿态检测环节则是反馈源，如同人的眼睛，耳朵等器官，是环境感知的入口。通过陀螺仪 GY521 MPU-6050 可以直接检测到当前车身的角速度以及角加速度；同时由于重力会在小车车身倾斜的角度上产生一个分 量，由此借助于加速度传感器测出该分量，从而也就能够间接的得出自平衡小车的车身倾斜角度。 湖北大学本科毕业论文（设计） 2 在陀螺仪传感器和
13、加速度传感器的选用上面，由于是用于动态实时检测，所以对它的实时性的要求比较高。另外，灵敏度和准确性也是比较重要的参考因素。综合考虑下来，本方案陀螺仪传感器 选用的是 MPU-6050，加速度传感器选用的是 虽然有了上述传感器可以用来测出自平衡小车车体的当前姿态，但是由于惯性传感器自身的一些特性，所测的值会受外界环境的温度、震动等影响，继而产生不同程度的误差与噪声。所以需要在采集传感器数据后，在软件中采用一 些算法对这些传感器测得的数据进行分析二次处理，同时对陀螺仪传感器和加速度计传感器采集的数据进行融合分析后，再计算出当前小车的姿态，此时的结果将更加准确和稳定。 1.2.3 控制算法 自平衡小
14、车由于重力原因自身没法保持平衡，需要根据反馈来调整自身的状态达到平衡。控制系统中陀螺仪 GY521 MPU-6050 传感器和加速度传感器， stm32 微控制器，马达驱动构成了闭环的控制系统。加速度传感器，陀螺仪 GY521 MPU-6050 传感器采集当前自平衡小车姿态，微控制器对传感器数据进行滤波和分析，进而控制马达驱动，调整 自平衡小车当前姿态。控制算法采用了工业中常用的反馈调节算法 :PID。 PID 算法在工业控制类的场合中有着广泛的应用，在应用中充分验证了算法的可行性可优越性。 1.3 本文主要研究目标与内容 本设计设计了一种双轮的自平衡车，在适度的环境不利因素下也能够保持自主站
15、立。同时也能够在 Android 手机端的 App 通过蓝牙控制小车前进，后退，转弯。 在设计的过程中探究了陀螺仪传感器和加速度传感器的互补特性，并用融合算法将两者所测数据结合起来进行分析，获得了更为准确的车身姿态。 设计具体包括： (1) 车体的 机械结构：包括车 轮驱动，重心调整，传感器安装，为后期开发提供良好的物理基础； (2) 小车 硬件电路：电源必须要能够稳定的输出，并且满足马达驱动对功率的需求。马达的驱动十分重要，它是能够及时调整小车姿态的关键因素；同时，为了后期方便调试，留出了一些比如电位器以及程序烧录的调试接口，可大大简化后期调试过程和节约大量调试时间。为了后期方便更换器件，将
16、主板设计成了接插口的方式。 (3) 小车软件算法：通过陀螺仪 GY521 MPU-6050 传感器和加速度传感器检测当前小车姿态数据，微控制器获取传感器数据进行分析，通过 PID 算法得出相 应的控制力度，从而调节自平衡小车马达驱动驱动下的小车转速，最终修正当前小车姿态。但是，由于陀螺仪 GY521 MPU-6050传感器所测的角速度和角加速度以及加速度传感器所测的加速度会受湖北大学本科毕业论文（设计） 3 环境噪声的影响，角速度只在很短的时间内稳定，而加速度传感器所测数据的白噪声十分严重，因此最好采用两者的互补特性来设计卡尔曼滤波器来算出稳定准确地传感器数据。 (4) PID 调节算法：系统
17、分为两路闭环控制：一路是自平衡小车的倾斜角度的闭环控制，用来保持车体平衡；另一路是自平衡小车的速度闭环控制，用来维持车体在一个指定的速度运动。 湖北大学本科毕业论文（设计） 4 2. 系统原理分析 2.1 控制系统要求分析 根据设计目标，自平衡小车能够自主保持平衡，并且能够抵抗一定程度的外部环境的干扰。而且能够在 Android 手机端 App 的控制下，实现向前运动，向后运动，以及转弯等动作。结合系统分析可以知道，维持自平衡小车站立和前后运动的动力都来自于自平衡小车的两个车轮，而车轮是由两个直流马达驱动的。所以，可以将自平衡小车作为一个调控对象，自平衡小车的两个车轮的作为控制系统的控制量。整
18、个系统分为 3 个部分： (1)自平衡小车的站立控制：小车的倾斜角度作为输入参数，通过控制马达的转 速来保持小车的自平衡。 (2)自平衡小车的速率控制：在能够自主站立的基础上，通过改变自平衡小车的倾斜角度来完成对车体运动速率的调节，其实仍是经过对马达的调控来完成小车车体运动速率的修改。 (3)自平衡小车转向调节：通过调节自平衡小车两个车轮的转速，构成差速从而实现小车的转向调节。 2.2 平衡控制原理分析 维持小车自主站立的直接灵感来自于我们的平时经历。人可以通过控制身体以及手的移动方向和速度，来保持手指尖撑住的直杆屹立不倒。在保持直杆平衡的过程中，人需要完成两个操作：一是人眼可以实时并准确地观
19、测到直杆当前的 姿态，二是手指能够根据当前直杆的姿态来迅速调整自身位置和速度。这实际上就是本方案中的平衡车站立闭环负反馈控制。 图 2-1 维持直杆站立的负反馈调节系统 自平衡小车的自主站立也是经过负反馈的调节来完成的，与在指尖维持直杆站立原理湖北大学本科毕业论文（设计） 5 基本一致。 由于车体只有两个车轮与地面接触，自身稳定能力极差，在重力的作用下极容易倾倒。小车上的放置的陀螺仪 GY521 MPU-6050传感器和加速度传感器能够对小车的当前姿态进行实时测量，微控制器分析后控制车轮的旋转，抵消倾斜力矩则可以达到维持小车平衡的目的。如图 2-2 所示。 图 2-2 通过车轮旋转保持小车平衡
20、 2.3 自平衡小车数学模型 2.3.1 两轮自平衡小车受力分析 为了更好地实现小车的平衡，需要准确地得出小车当前姿态与马达输出之间的数学模型。 重力环境下绳索挂着物体可以被抽象成为理想的倒立摆模型，本文中的两轮自平衡车可以被看做为倒立摆模型来进行分析，如图 2-3 所示。 lmmglm单 摆 模 型一 级 倒 立 摆 模 型图 2-3 倒立摆模型 对单摆进行如下的受力分析 如下图所示。 湖北大学本科毕业论文（设计） 6 mmgFsinll sinmg图 2-4 单摆受力分析 当 重物偏离中心的平衡位置后，就会受到重力与线的张力的合作用力，迫使重物回到中心处。这股合力被称为回复力，它的值为：
21、- sinF m g （式 2-1） 停止的倒立摆受力情况如下，如图 2-5 所示。 l sinmg图 2-5 倒立摆受力分析图 由该受力分析可知，其回复力大小为： sinF mg （式 2-2） 对于处于平衡位置的单摆而言，当它离开中心位置时，它所受的合力与它的位移相反，所以合力能够驱使它回到原处；但是对于倒立摆，当它离开中心位置时，所受到的合力与位移却刚好是同向的，所以此时会加速远离中心位置，最终倾倒。 通过判断可以知道，要使倒立摆能够有与偏离方向相反的回复力，则必须施加另一种力与偏移方向相反，从而使倒立摆所受合力与偏移方向相反，也即回复力总是指向中心位置，达到能够平衡的目的。 通过调节自
22、平衡小车底部车轮转速，使其做 加速运动。在此情形下再来分析倒立摆的受力情况，如下图 2-6 所示。 湖北大学本科毕业论文（设计） 7 lmmg sinmg cosma图 2-6 非惯性系中的倒立摆受力分析 由于自平衡小车车轮做加速运动，倒立摆会受到惯性力。设车轮运动导致倒立摆产生的加速度的值为 .若以地面作为参考系，可以得知倒立摆受到的惯性力为： g cosF ma （式 2-3） 所以，倒立摆受到的合力为： s i n c o sF m g m a （式 2-4） 在实际控制系统当中，偏离角度很小，可以对其进行简化处理。系统中小车加速度与偏离角度为正比关系，令比例系数为 1k ，则式 2-4
23、 可变换为： 1F m g m k （式 2-5） 则小车的车轮的加速度应该为： 12a m k m k （式 2-7） 式中 为倾斜角度， 为倾斜角速度， 1k 、 2k 为比例系数。 2.4 PID 控制器设计 2.4.1 PID 控制器原理 反馈调节系统一般包含三个环节：检测，比较和输出。检测的值与预期值相比较，根据误差量来控制输出纠正系统偏量。 PID 控制器是当前 工业系统中应用十分广泛的一种反馈控制系统，在这里十分适用于小车的平衡反馈控制。 PID 由比例控制，积分控制，线性控制三个部分线性叠加而成。 PID 调节具有可靠性好，算法简单，稳定性高，调试起来简单很多优点。因此 PID 控制器自被采用以来，在工业中被广泛应用。 PID 控制器由比例控制单元（ P）、积分控制单元（ I）和微分控制单元（ D）三个部分组成。它的输入 e (t）与输出 u (t）的模型为：
