自平衡小车最终版

合集下载

两轮平衡小车实习报告

两轮平衡小车实习报告一、前言随着科技的不断发展，机器人技术逐渐应用于各个领域，其中两轮平衡小车作为一种具有自平衡能力的新型轮式车，引起了广泛的关注。

本次实习报告主要介绍了两轮平衡小车的原理、设计及实际操作过程。

二、两轮平衡小车原理两轮平衡小车主要由控制系统、传感器、执行器等部分组成。

其工作原理是通过传感器实时检测车体姿态，将车体姿态信息传输给控制系统，控制系统根据车体姿态信息计算出相应的控制策略，并通过执行器实现对车轮的动态调整，使小车保持平衡。

三、两轮平衡小车设计1.硬件设计本次设计的两轮平衡小车采用STM32单片机作为控制核心，配备有MPU6050传感器用于姿态检测，使用TB6612FNG电机驱动模块实现车轮的控制。

此外，还使用了OLED显示屏用于显示实时数据。

2.软件设计在软件设计方面，主要采用了PID控制算法来实现车体的平衡控制。

首先，对MPU6050传感器采集到的数据进行处理，计算出车体的倾角；然后，根据倾角信息计算出控制电压，通过TB6612FNG电机驱动模块对车轮进行控制，以保持车体的平衡。

四、两轮平衡小车实际操作过程1.调试过程在实际操作过程中，首先需要对小车进行调试。

通过调整小车的重心位置，使其能够稳定站立。

调试过程中，发现小车在高速运动时容易失去平衡，通过减小驱动电压，提高小车的稳定性。

2.平衡控制实现在平衡控制实现方面，通过实时检测车体姿态，并根据姿态信息计算出控制电压，实现对车轮的控制。

在实际操作中，发现小车在平衡状态下运行平稳，能够实现前进、后退、转向等基本功能。

3.避障功能实现为了提高小车的实用性，我们为其添加了避障功能。

通过使用HC-SR04超声波传感器，实时检测小车前方的障碍物距离，并在检测到障碍物时，自动调整小车方向，实现避障。

五、总结通过本次实习，我们对两轮平衡小车的原理、设计及实际操作过程有了深入的了解。

两轮平衡小车作为一种具有自平衡能力的新型轮式车，具有占地面积小、转弯灵活等优点，其在未来的应用前景广阔。

基于PID控制器的两轮自平衡小车设计

本科毕业设计基于PID控制器的两轮自平衡小车设计摘要两轮自平衡小车具有体积小、结构简单、运动灵活的特点，适用于狭小和危险的工作空间，在安防和军事上有广泛的应用前景。

两轮自平衡小车是一种两轮左右平衡布置的，像传统倒立摆一样，本身是一种自然不稳定体，其动力学方程具有多变量、非线性、强耦合、时变、参数不确定性等特性，需要施加强有力的控制手段才能使其保持平衡。

本文在总结和归纳国内外对两轮自平衡小车的研究现状，提出了自己的两轮自平衡小车软硬件设计方案，小车硬件采用陀螺仪和加速度传感器检测车身的重力方向的倾斜角度和车身轮轴方向上的旋转加速度，数据通过控制器处理后，控制电机调整小车状态，使小车保持平衡。

由于陀螺仪存在温漂和积分误差，加速度传感器动态响应较慢，不能有效可靠的反应车身的状态，所以软件使用互补滤波算法将陀螺仪和加速度传感器数据融合，结合陀螺仪的快速的动态响应特性和加速度传感器的长时间稳定特性，得到一个优化的角度近似值。

文中最后通过实验验证了自平衡小车软硬件控制方案的可行性。

关键词：自平衡互补滤波数据融合倒立摆Two-wheeledSelf-balancingRobotMaXuedong(CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China) Abstract:Thetwo-wheeledself-balancingrobotissmallinmechanism,withsimplestructureandcanmakeflexiblemotion,目录华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表1前言研究意义应用意义。

自平衡车巧妙地利用地心引力使其自身保持平衡，并使得重力本身成为运动动能的提供者，载重越大，行驶动能也就越大，具有环保的特点(胡春亮等，2007)。

驾驶者不必担心掌握平衡，车体自身的平衡稳定性，使得原本由于平衡能力障碍而无法骑自行车的人群也同样可以驾驭。

自动跟随平衡小车的设计

自动跟随平衡小车的设计1 绪论1.1 研究背景与意义1.1.1 研究背景当今时代是产业智能化的时代，新兴的信息技术正在快速应用于各行各业，现代科学技术已经成为了产业变革最主要的推动力。

根据《中国制造2025》计划所述，我国将加大力度对智能自动化工程、智能交互机器人、智能交通管理、智能电器、智能家居控制等产业进行引领和推动。

此外，还应根据消费需求的动态感知，从研发、制造和产业组织模式等方面开发一系列新的制造模式。

2018年12月底，全国工业和信息化部部署2019年工作，其涉及智能制造、信息消费、5G等领域。

智能制造业的兴起和引起人们的重视，得益于人工智能的研究和发展，其可以理解为人工智能系统的前沿技术。

人机一体化智能系统是智能化技术早期的应用探索之一，正在逐步发展成为一种混合智能技术。

人机一体化智能系统的智能化应用主要体现在智能机械上，而对于人们的日常生活来说，智能化在在智能机器人的应用上体现得最为明显。

在工业生产上，很多领域通过智能化装置的应用，实现了手动控制与自动控制的结合，节省了人力，降低了物料损耗，提升了生产效率和经济性。

随着智能化在不同产业的生成过程中应用愈发广泛，其承担的作用也越来越重要。

1.1.2 研究意义1.推进双轮自平衡车的智能化研究自动跟随技术已经经历了很长时间的发展。

早在很多年以前，国内外的研究人员就开始了对自动跟随技术具体应用的探索，设计出了自主跟随四轮小车，自主跟随无人机等作品。

由于那个时期的自平衡车的相关技术还不成熟，导致很少有自动跟随技术在平衡车上应用。

在性质上，双轮自平衡车从属于智能机器人的发展范畴，在移动载具方面，它有所占空间小、驾驶灵活、容易停车且便于携带等特点，非常适合短距离的代步和应用于娱乐活动。

但由于自平衡车在交通复杂的环境下，其安全性能并不稳定，并且对驾驶者的安全防护措施比较欠缺，导致自平衡车的交通事故发生频繁，事故损伤普遍偏重，致使现阶段很多城市都出台法令限制平衡车通行；另一方面，在平衡车跟随功能方面，小米正在成为先驱者，虽然小米平衡车的性能和适用范围还有很多不足之处，但自动跟随相关研究方向的正确性已被证明，这也将成为未来服务型机器人种类中特殊的一面。

基于AVR单片机的两轮自平衡小车设计

第１期
张飞云，等：基于ＡＶＲ单片机的两轮自平衡小车设计
・５９・
综上可知，在上述系统硬件基础上利用比例与积
分算法可以实现对传感器输入信号的跟随，使系统达
到动态平衡．
；行通信接口电路卜－＿一．－
Ｉ
ＡＶＲｍｅｇａ８单片机完成对其信号的采集与计算，并向电机驱动器发送信号去执行相应的动作，从而实现小车的动态平衡功能．
关键词：两轮自平衡小车；角速度传感器；陀螺仪；ＡＶＲ；ＰＩ中图分类号：ＴＰ２４文献标志码：Ａ文章编号：１６７４—３３０Ｘ（２０１３）０１ — ００５８— ０３
移动机器人技术是目前科学技术发展最活跃的领域之一，而两轮自平衡小车又是移动机器人研究中的
一
个重要领域．两轮自平衡小车是一个高度不稳定的两轮机器人，它两轮同轴、车身中心位于车轮轴的上
方、独立驱动、靠运动保持平衡．本研究从最基本的单轴动态平衡着手，通过优化ＰＩ算法，最终实现了仅用角速度传感器的多轴动态平衡达到在价格敏感产品中低成本、高效率，在价格不十分敏感的产品中和加速度相结合的效果．
第２５卷第１期
２０１３年３月
河南工程学院学报（自然科学版）
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＨＥＮＡＮＩＮＳＴＩＴＵＴＥＯＦＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ

基于STM32单片机红外遥控两轮自平衡小车的设计

本设计使用过的电机驱动包括4路PWM输入、5V输入、7.4V电源输入、两路电机输出和一个电源指示灯。控制引脚具体解释：
GND1：5V电源地；
EN：5V使能引脚(5V工作，0V关闭，禁止悬空)；
PWM1：控制电机1的转速；
DR1：控制电机1的转向；
PWM2：控制电机2的转速；
DR2：控制电机2的转向；
系统的整体设计框图如图2-2所示:
图2-2系统整体框图
3
3.1
STM32F1系列屈于中低端的32位ARM微控制器，其内核是Cortex-M3㈡。
STM32F103是一款常用的中等容量增强型、低功耗、32位基于ARM核心的带64K或128K字节闪存的微控制器，拥有USB、CAN、7个定时器（3个16位定时器、1个16位带死区控制和紧急刹车、2个看门狗定时器、系统时间定时器：24位自减型计数器）、2个ADC、9个通信接口（2个I2C接口、3个USART接口、2个SPI接口、CAN接口USB 2.0全速接口）等众多资源。这款芯片运行时的最高频率可达到72MHz,其供电电压为2.0V至3.6V,拥有64K或128K字节的闪存程序存储器，带有4个片选的静态存储器控制器15o该芯片还具有看门狗定时器，系统时间定时器，低功耗空闲和CRC计算单元，使得STM32F103芯片在众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
2.3
程序是系统稳定运行的大脑神经，如果一个单片机控制系统没有可以用來控制的程序，那么再好的电路也是没有实际意义的。
程序的编写过程中需要注意以下儿点：
1、程序的编写一定要按照预先搭建好的电路进行，操作一定要针对与被操作的对象。
2、程序的编写应该做到以尽量少的编程语言去实现更复杂的控制内容，只有这样, 编写的程序才能够简洁完整。

电动小车最终方案版

电动小车最终方案版(总28页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--一、任务设计并制作一个简易智能电动车，其行驶路线示意图如下：二、要求1、基本要求（1）电动车从起跑线出发（车体不得超过起跑线），沿引导线到达B 点。

在“直道区”铺设的白纸下沿引导线埋有1~3块宽度为15cm、长度不等的薄铁片。

电动车检测到薄铁片时需立即发出声光指示信息，并实时存储、显示在“直道区”检测到的薄铁片数目。

（2）电动车到达B点以后进入“弯道区”，沿圆弧引导线到达C点（也可脱离圆弧引导线到达C点）。

C点下埋有边长为15cm的正方形薄铁片，要求电动车到达C点检测到薄铁片后在C点处停车5秒，停车期间发出断续的声光信息。

（3）电动车在光源的引导下，通过障碍区进入停车区并到达车库。

电动车必须在两个障碍物之间通过且不得与其接触。

（4）电动车完成上述任务后应立即停车，但全程行驶时间不能大于90秒，行驶时间达到90秒时必须立即自动停车。

2、发挥部分（1）电动车在“直道区”行驶过程中，存储并显示每个薄铁片（中心线）至起跑线间的距离。

（2）电动车进入停车区域后，能进一步准确驶入车库中，要求电动车的车身完全进入车库。

（3）停车后，能准确显示电动车全程行驶时间。

（4）其它。

三、评分标准比较、设计与论证，理论分析与计算，电路图及有关设计文件，测试方法与仪器，测试数据及测试结果分析实际完成情况50发挥部分完成第（1）项15 完成第（2）项17 完成第（3）项8 其它10四、说明1、跑道上面铺设白纸，薄铁片置于纸下，铁片厚度为～。

2、跑道边线宽度5cm，引导线宽度2cm，可以涂墨或粘黑色胶带。

示意图中的虚线和尺寸标注线不要绘制在白纸上。

3、障碍物1、2可由包有白纸的砖组成，其长、宽、高约为50cm12cm6cm，两个障碍物分别放置在障碍区两侧的任意位置。

4、电动车允许用玩具车改装，但不能由人工遥控，其外围尺寸（含车体上附加装置）的限制为：长度≤35cm，宽度≤15cm。

两轮平衡小车说明书

电气电子工程学院自主创新作品两轮平衡小车摘要两轮自平衡小车具有体积小、结构简单、运动灵活的特点，适用于狭小和危险的工作空间，在安防和军事上有广泛的应用前景。

本作品采用STM32单片机作为主控制器，用一个陀螺仪传感器来检测车的状态，通过dvr8800控制小车两个电机，来使小车保持平衡状态，通过2.4G模块无线通讯进行遥控来控制小车运行状态。

关键词：智能小车；单片机；陀螺仪。

目录一．前言 (4)一．两轮平衡车的平衡原理 (4)2.1 平衡车的机械结构..........................................................................错误!未定义书签。

2.2 两轮车倾倒原因的受力分析 (4)2.3 平衡的方法 (5)三．系统方案分析与选择论证 (5)3.1 系统方案设计 (5)3.1.1 主控芯片方案 (5)3.1.2 姿态检测传感器方案 (6)3.1.3 电机选择方案 (6)3.2 系统最终方案 (7)四．主要芯片介绍和系统模块硬件设计 (7)4.1.STM32单片机简介（stm32rbt6） (7)4.2.陀螺仪传感器 (8)4.3．TB6612 (8)4.4．编码器 (9)4.5. 主控电路 (9)4.6 电机驱动电路 (10)五．系统软件设计 (11)5.1 PID概述 (11)5.2 数字PID算法 (12)5.3 PID控制器设计 (13)六．硬件电路 (14)七．制作困难 (15)八．结论 (16)九．参考文献 (16)一．前言应用意义。

平衡小车调试指南（直立环速度环）

平衡⼩车调试指南（直⽴环速度环）平衡⼩车调试指南接下来将和⼤家⼀起以⼯程的思想去完成⼀个平衡⼩车的调试，包括平衡⼩车的直⽴环、速度环、转向环，⼀般我们是先调试直⽴环，再调试速度环，最好调试转向环。

另外需要说明的是，因为我们使⽤的电机性能⾮常好，对PID参数不敏感，也就是说每个参数的取值范围都很⼴，这将对我们接下来的调试有很⼤的帮助。

1.1平衡⼩车直⽴控制调试平衡⼩车直⽴环使⽤PD（⽐例微分）控制器，其实⼀般的控制系统单纯的P控制或者PI控制就可以了，但是那些对⼲扰要做出迅速响应的控制过程需要D （微分）控制。

下⾯是直⽴PD控制的代码：int balance(float Angle,float Gyro){float Bias,kp=300,kd=1;int balance;Bias=Angle-0;//计算直⽴偏差balance=kp*Bias+Gyro*kd;//计算直⽴PWMreturn balance;//返回直⽴PWM}⼊⼝参数是平衡⼩车倾⾓和Y轴陀螺仪（这个取决MPU6050的安装），我们的⼩车前进⽅向是MPU6050的X轴的正⽅向，电机轴与Y轴平⾏。

前⾯两⾏是相关变量的定义，第三⾏是计算⾓度偏差，第四⾏通过PD控制器计算直⽴PWM，最后⼀⾏是返回。

调试过程包括确定平衡⼩车的机械中值、确定kp值的极性（也就是正负号）和⼤⼩、kd值的极性和⼤⼩等步骤。

在调试直⽴环的时候，我们要屏蔽速度环和转向环，如下图所⽰：1.1.1确定平衡⼩车的机械中值把平衡⼩车放在地⾯上，绕电机轴旋转平衡⼩车，记录能让⼩车接近平衡的⾓度，⼀般都在0°附近的。

我们调试的⼩车正好是0度，所以就是Bias=Angle-0;1.1.2确定kp值的极性（令kd=0）⾸先我们估计kp的取值范围。

我们的PWM设置的是7200代表占空⽐100%，假如我们设定kp值为720，那么平衡⼩车在±10°的时候就会满转。

自平衡小车数学模型

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准确控制车轮转动，保持小车始终稳定的直立平衡，需要对自平衡车进行运动学分析并建立其数学模型，从而更好的设计控制系统。

为了更加直观的分析系统受力情况，下面将直立小车与单摆模型进行对比说明小车的受力情况。

重力场中使用细线悬挂的重物经抽象化便形成理想化的单摆模型，两轮自平衡车可以看作一级倒立摆模型进行分析，如图2-3所示。

单摆模型一级倒立摆模型图2-3 小车抽象为一级倒立摆模型对普通单摆进行受力分析如图2-4所示。

mg=图2-4 单摆受力分析当物体离开平衡位置后便会受到重力与线的合作用力，驱使物体回复至平衡位置。

这个力称为回复力，其大小为：=F m gθ-s in（式2-1）在偏移角很小情况下，回复力与偏移角之间的大小成正比，方向相反。

在此回复力的作用下，单摆进行周期运动。

由于空气阻力的存在，单摆最终会停止在平衡位置。

空气阻尼力与单摆的速度成正比，方向相反。

阻尼力越大，单摆会越快停止在平衡位置。

可得出，单摆保持平衡的条件有两点：(1) 受到与偏移相反的回复力作用；(2) 受到与运动速度相反的阻尼力作用。

如果没有阻尼力，单摆会在平衡位置左右晃动而无法停止。

如果阻尼力过小（欠阻尼），单摆会在平衡位置震荡。

阻尼力过大（过阻尼）则导致单摆恢复平衡时间加长。

因而存在一个临界阻尼系数，使单摆稳定在平衡位置所需时间最短。

对静止的一级倒立摆模型进行受力分析（不考虑车轮与地面的滚动摩擦力），如图2-5所示。

θsin图2-5一级倒立摆模型受力分析图由一级倒立摆模型静止时的受力分析可知，其回复力大小为：=F m gθsin（式2-2）静止的倒立摆之所以不能像单摆一样可以稳定在平衡位置，是因为在偏离平衡位置时所受回复力与其偏移方向相同，而不是相反，因此不能回复至平衡位置，而是加速偏离垂直位置直至倾倒。

经分析可知，要控制倒立摆使其能够与单摆一样能够回复至平衡位置并保持稳定有两种方案。

平衡小车平衡原理介绍

平衡原理一、平衡小车原理平衡小车是通过两个电机运动下实现小车不倒下直立行走的多功能智能小车，在外力的推拉下，小车依然保持不倒下。

这么一说可能还没有很直观的了解究竟什么是平衡小车，不过这个平衡小车实现的原理其实是在人们生活中的经验得来的。

如果通过简单的练习，一般人可以通过自己的手指把木棒直立而不倒的放在指尖上，所以练习的时候，需要学会的两个条件：一是放在指尖上可以移动，二是通过眼睛观察木棒的倾斜角度和倾斜趋势（角速度）。

通过手指的移动去抵消木棒倾斜的角度和趋势，使得木棒能直立不倒。

这样的条件是不可以缺一的，实际上加入这两个条件，控制过程中就是负反馈机制。

而世界上没有任何一个人可以蒙眼不看，就可以直立木棒的，因为没有眼睛的负反馈，就不知道笔的倾斜角度和趋势。

这整个过程可以用一个执行式表达：平衡小车也是这样的过程，通过负反馈实现平衡。

与上面保持木棒直立比较则相对简单，因为小车有两个轮子着地，车体只会在轮子滚动的方向上发生倾斜。

控制轮子转动，抵消在一个维度上倾斜的趋势便可以保持车体平衡了。

所以根据上述的原理，通过测量小车的倾角和倾角速度控制小车车轮的加速度来消除小车的倾角。

因此，小车倾角以及倾角速度的测量成为控制小车直立的关键。

我们的平衡小车使用了测量倾角和倾角速度的集成传感器陀螺仪-MPU6050二、角度（物理分析PD算法）图1图2控制平衡小车，使得它作加速运动。

这样站在小车上（非惯性系，以车轮作为坐标原点）分析倒立摆受力，它就会受到额外的惯性力，该力与车轮的加速度方向相反，大小成正比。

这样倒立摆(如图2)所受到的回复力为：公式1 F = mg sin θ-ma cos θ≈mg θ-mk1θ式1中，由于θ很小，所以进行了线性化。

假设负反馈控制是车轮加速度a与偏角θ成正比，比例为k1。

如果比例k1>g，（g是重力加速度）那么回复力的方向便于位移方向相反了。

而为了让倒立摆能够尽快回到垂直位置稳定下来，还需要增加阻尼力。

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。

两轮自平衡小车毕业设计

两轮自平衡小车毕业设计04161120(总24页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除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，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 APPDesign of Two-Wheel Self-Balance VehicleAbstractIn the last few years, with the development of commercial self balancing electric vehicle was developed rapidly. Self balancing vehicle has the advantages 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 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, 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, 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 car's forward and backward and turning.Key Words: Self balancing car gyroscope sensor filter APP目录1.绪论 0研究背景与意义 0自平衡小车的设计要点 0整体构思 0姿态检测系统 0控制算法 (1)本文主要研究目标与内容 (1)论文章节安排............................................... 错误!未定义书签。

基于单片机的两轮自动平衡小车系统的设计

第30卷第12期2020年12月长春大学学报JOURNAL OF CHANGCHUN UNIVERSITYVol.30No.12Dec.2020基于单片机的两轮自动平衡小车系统的设计杜丽敏，王岩（长春大学电子信息工程学院，长春130022）摘要：通过对倒立摆模型的受力分析，使两轮小车保持自平衡运行状态。

硬件上采用STM32F103ZET6单片机为核心控制器，利用MPU6050检测小车的速度和加速度，选择L298N驱动两个两相直流电机，采用霍尔测速码盘获得电机的转速，通过电磁检测电路实现电磁轨迹跟踪。

软件上采用PI和PD构成串级控制算法,MPU6050采集到的小车姿态数据经卡尔曼滤波进行数据处理。

最终实现了平衡车的稳定控制，完成了小车直立和行走功能。

关键词：两轮自动平衡小车；STM32F103ZET6；MPU6050；串级控制器；卡尔曼滤波中图分类号:TP273文献标志码:A文章编号：1009-3907（2020）12-0019-06两轮自动平衡车凭借其运动灵活、体积小巧、经济环保等优点逐渐被人们喜欢，并且在人们的生产生活中起着越来越重要的作用。

两轮自动平衡小车采用倒立摆工作原理,使小车保持平衡状态，其系统具有非线性、强耦合、不稳定等特点⑴。

因此,两轮自平衡车不仅在市场中有很大的价值和前景，在验证或校验控制算法和控制理论上更有一个很好的实验平台［2］。

文献［3-4］设计了基于LQR的最优控制器,该控制算法具有较快的动态响应速度，对于干扰具有良好的鲁棒性;文献［5］针对和LQR两种控制方法进行了对比分析，证明了前者在欠驱动系统的控制中具有一定的参考价值;文献［6］针对两轮平衡小车给出了硬件设计方案，以及基于PID的控制算法，实验中验证了设计方案的可行性。

本文主要研究了PID控制算法在两轮自动平衡小车中的应用。

首先，构建以STM32F103ZET6单片机为核心的两轮直立小车控制系统;其次，对两轮自动平衡小车进行了数学建模,验证了PD控制算法可以使小车保持直立稳定状态，进而基于PID设计了串级控制算法;最后将所设计的控制算法应用在了实物中，实现了小车的直立和行走功能。

自平衡小车系统设计报告完整

2012福建省大学生电子设计竞赛论文题目:自平衡小车系统(D题)目录摘要 (3)一、设计任务 (4)二、设计要求 (6)2.1 基本要求 (6)2.2发挥部分 (6)三、方案的选择 (7)3.1控制器模块的选择 (7)3.2电机驱动电路 (7)3.3电源模块 (7)3.4寻迹传感器模块 (8)3.5最终方案 (8)四、理论分析与计算 (9)4.1自平衡小车的数学模型及控制算法 (9)4.2 动力学模型及其参数说明 (10)4.3控制算法的设计 (12)4.4 小车运动的精确控制 (13)五、电路硬件设计 (14)5.1 单片机最小系统 (14)5.2 电机驱动模块 (14)5.3寻迹模块 (16)5.4角度检测模块 (16)六、软件设计 (18)6.1软件设计的主程序流程图 (18)6.2驱动、中断、寻迹程序流程图 (19)七、测试方案与测试结果 (22)7.1 测试仪器与设备 (22)7.2 测试方法 (22)7.3 测试结果 (22)7.4 总结 (24)八、参考文献 (25)附录一各系统原理图与实物图 (26)附录二原件清单 (29)附录三程序 (30)摘要自平衡小车是一个集多种功能于一体的综合系统，在完成自身平衡的同时，还能够适应各种环境下的控制任务。

利用外加的3轴加速度传感器、陀螺仪、光电反射式传感器、来实现小车的自主循迹、加速减速、路径规划等功能。

由于特殊的结构，其适应地形变化能力强，运动灵活。

自平衡小车系统选用STC89C52单片机最小系统为控制模块，模块化的设计方案。

通过光电反射式传感器 ST178对信号进行采集，采集到的信号经比较器LM324处理后传给52片机，经单片机处理后，发出控制命令L298N，驱动2台直流电动机进行相应的动作。

该小车能够识别出黑色轨迹并能沿着黑色轨迹前进，走出相应的S形路线直到终点。

关键词：STC89C51最小系统电机驱动 ST178光电反射式传感器一、设计任务设计并制作一个自平衡小车。

基于PID控制的两轮平衡小车(附原理图和程序讲解)

课程设计题目基于PID控制的两轮平衡小车学院XXXXX 专业班级XXXXXX小组成员XXXX 指导教师XXXXX X年 XX 月 XXX小组成员介绍及分工小组成员信息小组成员分工目录机电系统实践与实验设计 (1)一、研究背景与意义 (2)二、平衡原理 (2)2.1 平衡车的机械结构 (2)2.2 自平衡车倾倒原因的受力分析 (3)2.3 平衡的方法 (3)三、两轮平衡小车总体设计 (4)3.1 整体构思 (4)3.2 姿态检测系统 (4)3.3 控制算法 (5)四、matlab建模及仿真 (6)4.1 机械模型建模及仿真（Matlab_simulink） (6)4.2 联合控制器仿真（理想状态PID） (8)五、硬件电路设计 (9)5.1、硬件电路整体框架 (9)5.2、系统运作流程介绍 (10)5.3、硬件电路模块 (10)5.31 电源供电部分 (10)5.32 主控制器部分: (10)5.33 传感器部分; (11)5.34 驱动电路部分 (11)5.35 蓝牙控制模块 (12)5.36 超声波检测模块 (13)5.37 寻迹模块 (13)六、软件控制模块 (14)6.1 系统软件设计结构 (14)6.2 整体初始化过程 (14)6.3 程序设计 (15)6.31 PID-三个参数的调整 (15)6.32 OLED显示信息 (16)6.33 PID-采集信息 (16)6.34 PID-数据计算 (17)6.35 PID-结果输出 (18)6.36 超声波避障 (18)6.37 蓝牙控制 (18)6.38 寻迹实现 (19)七、总结 (19)附录 (21)摘要：两轮自平衡车结合了两轮同轴、独立驱动、悬架结构的自平衡原理，是一种在微处理器控制下始终保持平衡的集智能化与娱乐性于一体的新型代步工具。

整车由底盘、动力装置、控制装置和转向装置组成。

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，采用加速度传感器来间接测量车体旋转角度，同时，加入超声波检测模块，使小车能够自动完成避障功能；通过在两轮平衡车上加入两个寻迹模块（光电传感器）来识别场地上的黑白线，使得两轮自平衡车能够沿着黑线进行寻迹完成循迹功能。

基于GA的两轮自平衡小车LQR最优控制器设计

基于GA的两轮自平衡小车LQR最优控制器设计杨凌霄;李晓阳【摘要】针对传统LQR最优控制器权重矩阵确定困难以及由此导致的响应速度慢等问题,以具有多变量、强耦合、非线性特点的两轮自平衡小车为被控对象,提出了一种通过遗传算法实现LQR控制器参数寻优的方法.选择线性二次型性能指标为目标函数,利用遗传算法的全局优化搜索能力,获取权阵Q的最优解,从而设计状态反馈控制率K,搭建系统动力学模型进行仿真实验.实验结果表明:该方法设计的最优控制器相对于传统的极点配置和LQR方法具有更好的控制效果,系统响应速度更快,超调更小.【期刊名称】《河南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(034)001【总页数】6页(P85-90)【关键词】两轮自平衡小车;线性二次型调节器;遗传算法;最优控制;动力学模型【作者】杨凌霄;李晓阳【作者单位】河南理工大学电气工程与自动化学院,河南焦作454000;河南理工大学电气工程与自动化学院,河南焦作454000【正文语种】中文【中图分类】TP391.9Key words：two-wheel self-balancing vehicle; linear quadratic regulator; genetic algorithm; optimal control; dynamical model两轮自平衡小车相对于传统的四轮设备具有占地面积小、运动灵活等优点，可以在许多特殊的环境，如狭小空间、拥挤办公环境中得到应用；同时由于其被控系统本身又是一个多变量、强耦合、非线性的不稳定系统，也可作为检验先进控制方法的研究平台，因而成为相关工程界与理论研究的热点[1]。

在两轮自平衡小车控制系统设计方法中，LQR法由于具有较好的鲁棒性和动态性而备受关注[2-3]。

控制过程中LQR法不必确定具体的闭环极点的位置，只需根据系统的响应寻找合适的状态变量及控制量的加权矩阵即可。

但在设计实际控制对象的控制器时，线性二次型性能指标中的加权矩阵Q和R确定较为困难，往往都是经过反复试探才能得到较满意的结果[4-7]。

一种基于ARM-STM32的两轮自平衡小车的设计与实现

一种基于ARM-STM32的两轮自平衡小车的设计与实现李亚文;常亮【期刊名称】《计算机与数字工程》【年(卷),期】2017(045)007【摘要】随着交通安全问题日益突出,以及人们对智能化生活的追求,促使了轻巧灵便的两轮平衡小车的发展.通过分析了平衡小车的平衡控制原理,进行合理的硬件选材和设计,应用ARM-STM32为核心控制器件,加入蓝牙智能通信协议实现了客户端远程控制,最终组装了两轮自平衡小车.大量的实验测试结果表明,该设计的两轮自平衡小车具有较强的自适应调节平衡性,稳定性好,可以实现蓝牙远程智能控制等显著优势.%With the increasing traffic safety problems,as well as the pursuit of intelligent life,the development of light and flexible wheeled inverted pendulum vehicle is promoted.It is reasonable to select and design the hardware,through the analysis of the balance of the balance of the car control principle,Application of ARM-STM32 as the core control device,Bluetooth intelligent communication protocol is added to achieve the client remote control,and wheeled inverted pendulum vehicle is assembled finally.A large number of experimental results show that the design of wheeled inverted pendulum vehicle has a strong adaptive adjustment balance,good stability to achieve remote control with Bluetooth significant advantages.【总页数】5页(P1426-1429,1436)【作者】李亚文;常亮【作者单位】商洛学院电子信息与电气工程学院商洛726000;商洛学院电子信息与电气工程学院商洛726000【正文语种】中文【中图分类】TP273【相关文献】1.两轮自平衡小车的系统设计与实现 [J], 刘春阳;刘幸;杨曼;王帅;徐巧玉;薛玉君2.一种两轮自平衡小车的设计与实现 [J], 熊跃军;史明政;林金勇;方烨3.两轮自平衡小车的设计与实现 [J], 金永波;张士金;李宗帅;费春国4.一种基于竞赛的两轮自平衡小车的设计 [J], 周牡丹;陈庆利;康若鹏;陈泽坤5.双闭环PID控制的两轮平衡小车设计与实现 [J], 黄强;唐杰;林立;王源明;朱群峰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。