1、 本科毕业设计（论文） 低成本 两 轮 自 平衡 小车 设计 学 院 信息工程学院 专 业 测控技术与仪器 （计算机方向 ) 年级班别 学 号 学生姓名 指导教师 摘要 两轮自平衡小车 是 一种新型代步工具，凭借操作简易和电力驱动的优势， 有着较高的研究价值 。对于缓解日渐严重的空气污染、交通拥堵和能源危机问题，是一种非常不错的选择 。同时， 由于两轮自平衡小车的结构具有高度不稳定性 ，给控制路理论提出了很大的挑战，也成为一种检验控制算法的良好平 台 。 本文 设计了两轮自平衡小车系统 ，其中机械部分包括了车体、车轮、直流电机、锂电池等，控制主要采用的是反馈调节，为了 能够使车体更好的平衡，采
2、用 了 PID调节方式 。主控制器采用了 STM32F103C8T6，检测倾角采用了姿态传感器 GY521-MPU6050，电机驱动的芯片采用了 TB6612FNG。小车通过姿态传感器 MPU6050采集倾角信息，发送至主控制器 STM32， 由 STM32分析数据并发送指令于电机驱动， 完成直立环控制；通过光电编码器采集速度信息，发送至主控制器 STM32，由 STM32分析数据并发送指令与电机驱动，完成速度环控制。电机驱动通过 PID调节 PWM占空比，控制直流电机的方向及转速，实现小车的独立平衡。 通过此次试验，自平衡小车可以初步实现基本功能，但是还有许多不足的地方，有待完善。 关键词
3、： 单片机 ；自平衡； 陀螺仪 ； PID控制 Abstract The two-wheel self-balancing car is a new type of walking tool, which is popular among young people with the advantages of simple operation and electric power. It is a good choice to ease the air pollution, traffic congestion and energy crisis. However, thestructure
4、of the two-wheel self-balanced vehicle is of low stability, challenging the controltheory. This paper presents a two wheeled self balancing robot design, its mechanical part comprises a car body, two wheels, DC gearmotor, lithium batteries and so on. Control mainly uses feedback adjustment, In order
5、 to improve the balance of the body, the PID adjustment is adopted. The main controller uses STM32F103C8T6, The detection Angle adopts the attitude sensor named GY521-MPU6050 and The motor driven chip was adopted by TB6612FNG. The car is sent to the main controller STM32 by means of the attitude sen
6、sor MPU6050, which is analyzed by STM32 and sent to the motor drive to complete the upright loop control; Through the photocoder, the speed information is sent to the main controller STM32, and the STM32 analyzes the data and sends the command and motor drive to complete the speed loop control. The
7、motor driven by PID adjusts PWM for air ratio, control the direction and speed of dc motor, realize the independent balance of the car. Through this experiment, the self-balancing car can achieve basic functions, but there are still a lot of shortcomings. Key Words: Microcontrollers; self-balancing
8、;gyroscope sensor ;PID control 目 录 1、绪论 . 1 1.1研究背景及意义 . 1 1.2发展历程与现状 . 2 1.2.1国外发展现状 . 2 1.2.2国内发展现状 . 4 1.3自平衡小车的关键技术 . 4 1.3.1系统设计 . 4 1.3.2 姿态检测 . 5 1.3.3 控制算法 . 5 1.4主要研究目标与内容 . 6 2、系统硬件设计 . 7 2.1 STM32F103C8T6 单片机介绍 . 8 2.2 电机驱动模块 . 10 2.3 系统检测模块 . 11 2.3.1 倾角检测 . 12 2.3.2 速度检测 . 13 2.4 电源模块 .
9、 14 2.5 车体结构 . 15 3、系统软件设计 . 16 3.1 系统软件总体结构 . 16 3.2系统初始化 . 17 3.2.1 滴答定时器 systick初始 化 . 17 3.2.2 MPU6050 初始化 . 17 3.3 PID控制 . 19 3.4 脉冲宽度调制 . 20 4、系统控制策略 . 22 4.1 控制系统要求及其平衡原理 . 22 4.1.1 控制系统要求 . 22 4.1.2 系统平衡原理 . 22 4.2 系统的数学模型 . 24 4.3 PID控制器设计 . 27 4.3.1 应用现状 . 27 4.3.2 PID控制器应用 . 28 4.4 陀螺仪检测原
10、理 . 29 4.4.1 加速度计 . 29 4.4.2 陀螺仪 . 31 5、结论 . 32 参考文献 . 33 附录 . 35 致谢 . 36 1 1、绪论 1.1 研究背景及意义 机器人技术在 60 年代中期的时候作为一项高新技术逐渐发 展起来，所涉及的领域非常广，包括人工智能、机械、控制工程和电子 等 2。它的快速发展，改变了传统的工业生产方式和人类生活方式。 现阶段，微电子、软件、通信、计算机等等这些与机器人相关的技术领域获得巨大进步，使得机器人技术拥有了更好的发展机会，同时也取得迅速的发展成就。如今，机器人技术的发展程度有些时候已经成为各个国家综合科技实力对比的主要依据。 移动机器
11、人是机器人学的一个重要分 支 12，其中包括了轮式机器人、腿式机器人以及水下式机器人等等。由于移动机器人的应用范围愈加广泛，其相关领域得以快速发展，因此移动机器人得到迅猛的发展起来。 而双轮自平衡小车是轮式移动机器人之一，它集成了机械学、微型计算机、自动控制、传感器、动力学等各项技术，能够自行检测外界环境变化并且做出相应的动态决策，其模型源自于倒立摆。 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。因为它既有理论研究意义又有使用价值，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。 汽车排放出的大量尾气，
12、对人体的健康有着非常严重的损害，重者导致呼吸系统疾病，对环境也是有着非常大的影响，会导致地面空气的臭氧含量增高，加剧城市的热岛效应。 如今，人们的生活水平有了大幅度提升，家家户户有了汽车，随着城市汽车越来越多，排放的尾气给人们带来的危害也愈加明显， 人们对此的关注度也随之提高。与此同时，我国已进入快速的城镇化发展阶段，伴随着城镇化出现的还有城市交通 机动化。机动化发展这一趋势，给人们出行带来方便同时，也给城市交通带来更大的挑战，使得小汽车成为城市交通堵塞的主要原因之一，而空气污染问题也随之愈加严重。因此，电动车成为现代鼓励推行的交通工具之一，所以倍受社会的关注，而两轮自平衡小车便是其中的一员，
13、它作为一种崭新的、便携的交通工具，拥有体积小、驾驶灵活方便这些优点，能够很大程度缓解当今社会严重的空气污染、能源紧缺问题、交通堵塞问题，是一2 种不错之选。 1.2 发展历程与现状 两轮自平衡小车有着较大的研究意义和价值，国内外均有很多企业对此进行大量研究，并取得 了丰 硕的 成 果 1。国外如美国、日本和瑞士等国家 对自平衡双轮小车的 研究起步较早，理论和技术已经达到一个很高水平 ，而且目前有了不少成品已经达到能够用作商业贸易商品的水平 。国内相比于国外研究起步较晚，研究相对较少 ，但是通过这几年的研究，已经有不少样机出现，且也有少数产品 能够应用到人们的生活当中。 1.2.1 国 外发展现
14、状 根据世界各国中两轮自平衡小车的发展状况，欧美和日本相对研究起步较早，其技术也相对成熟，这里主要对此进行介绍。 日本对双轮自平衡小车的研究是最早的，其技术水平更是在世界中名列前茅。 早在1987年，日本电信大学教授山藤一雄就 已经 提出了两轮自平衡机器人的概念。 山藤教授在申请“平行双轮机器人”专利中应用了行走平衡控制技术。该双轮小车没有平衡台，控制电路和驱动电路均安装在车体的上部。 这个基本的 原理 就是 利用车轮上的杠杆与地面接触，借此作为传感器检测小车的倾斜角度， 然后以平行的双轮来保持机器的平 稳 4。 不得不承认日本对双轮小车的研究方面有着非常高的成绩，不仅利用了对双轮平衡小车的控
15、制研究了平衡控制技术，而且还取得了一些具有实际意义的成果。虽然有些研究成果由于仅采用了单电机驱动，只能在直线型轨道上实现两轮平衡，不能 回转，但仍然有很多让人们惊叹的成果，例如著名的村田顾童和村田少 女 2。 图 1.1 “村田顽童”和“村田少女” 3 “村田顽童”拥有陀螺仪、超声波传感器、加速度传感器和可充电电池等先进原件，陀螺仪可用于测量左右和水平方向的角速度变化，超声波传感器用于检测双轮小车与障碍物体之间的距离，利用一套特殊的算法，它可以慢速的行驶、避障、倒退、悬停等，驾驶技术精湛。 “村田少女”还可以驾驶独轮车，这个独轮车具有基本的加速度传感器、陀螺仪等原件，除此还可以通过本身配备的惯
16、性体来保持左右平衡。 欧美国家通过对双轮小车领域的摸索，不仅研究了卡尔曼滤波器的传感器信息融合理论，检测了一些控制算法，也创造了很多具有实际意义价值的产片。通过红 外测距仪、轮上编码器、倾角传感器、陀螺仪加速度计等电子器件，欧美的两轮机器人也解决了开始的电机发力不定、只可在小角度范围内控制平衡、没有自主能力等问题，通过运用模糊控制算法等，能够很好的保持两轮小车车身的平衡，实现零半径回转，并且能在复杂地形保持车身的平衡等。 本世纪初瑞士联邦工业大学的 Joe、美国的 SegwayN 等两轮自平衡机器人相继问世，世界各国越来越多的机器人爱好者和研究者开始关注两轮自平衡机器人。美国发明家狄恩 卡门与
17、他的 DEKA 研发公司研发出了可以用于载人的两轮自平衡车命名为赛格威，并已投入 市场。 2004 年， Homebrew 机器人俱乐部的 Ted Larson 和 Bob Allen 制作了两轮自平衡机器人 Bender，并在机器人上安装了一个摄像头使它也成为一款自主移动机器 人 17。它由三层板构成，支架做得很高，使重心竖直靠上。但其平衡表现很出色，获得了第一届年度 Robolymipics Best of Show类金牌。 图 1.2 成功进入市场的 SegwayN 4 1.2.2 国 内发展现状 西安电子科技大学研究出了自平衡两轮机器人，它是一种两轮式左右并行布置结构的自平衡系统。它利
18、用伺服放大器 ADS 作为控制器，选择两个 Maxson 电机作为执行元件，采用自适应神经模糊控制器对小车这一非线性对象进行大范围控制，从而实现系统的自平衡。 哈尔滨工业大学也有类似的双轮直立自平衡机器人，该系统采用 DSP 作为控制核心 1。车体倾斜角度检测采用加速度传感器和陀螺仪。利用 PWM 技术动态控制两台直流电机的转速。基于这些完备而可靠的硬件设计，使用了一套独特的软件算法，实现了该系统的平衡控制。 2003年，中国科技大学自动化、力学系和机械工程系共同研发了自平衡双轮电动车，利用了角速度传感器和加速度传感器检测车身的转角和倾角信息，利用其中的软件计算控制量，控制电机保持车体的平衡状
19、态。同一年，台湾国立中央大学也开发出一台两轮机器人，该两轮自平衡机器人采用了 PC机来实现对电机的控制，来达到平衡的目的。 现在 ，平衡小车已经在市场上出现，并且很受年轻人的欢迎，其优点便是方便携带，使用简单，是一个较好的代步工具。 图 1.3 现代平衡代步车 1.3 自平衡小车的关键技术 1.3.1系统设计 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5 现。在系统的结构设计上，应该尽可能的保证重心在车体的中央，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
20、。同时，为了后期方便调试，应该留出一些比如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融合和分析以及 PID调试上 。 1.3.2 姿态检测 两轮子平衡车通过姿态检测系统来实时检测车身姿态及运动状态，并根据姿态信息对小车进行控制。双轮自平衡小车通过陀螺仪 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。 通过陀螺仪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
21、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。 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。 以上检测了系统实时的倾角，而单单倾角并不能使小车平稳的保持直立状态，还需要通过编码器检测电机转动的速度，进行一定的速度调节，使小车能够保持直立。 1.3.3 控制算法 两轮自平衡车属于本质不稳定系统， 因此其实现的平衡是一种动态平衡。由于重力原因，小车自身无法保持平衡，需要根据反馈来调整车身的状态来达到小车的直立平衡。系统中陀螺仪 MPU6050 传感器和加速度传感器以及 STM32微控制器，电机驱动构成了闭环的控制系统。通过采集加速度传感器以及陀螺仪 MPU6050传感器的值来判断小车当前的姿态，进而通过电机驱动对电机进行控制，调整小车当前的状态以保持直立平衡。在
