双轮自平衡小车控制系统设计
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图１车模 受力分析
晶公司生 产的增强 型８ ０ ５ １ 内核 的单 片机 。工作 电压２ ． ５ ～ ５ ． ５ Ｖ， 有６ 路硬件Ｐ ＷＭ、７ 个 定时器 、４ 组 串口、８ 路 高速 １ ０ 位Ａ ＤＣ，最
大有６ ｌ ｋ 程序Ｆ ｌ ａ ｓ ｈ 和４ ｋ 字节 Ｓ Ｒ ＡＭ ， 内部 集 成 了 时 钟 和 复 位 电 路 。通 过 引脚 １ 、３ 与 ＭＰ Ｕ６ ０ ５ ０ 进行Ｉ ２ Ｃ 通 信 ，采 集 姿 态 数 据 ，
Ｅ Ｌ Ｅ Ｃ Ｔ Ｒ ０ＮＩ Ｃ Ｓ Ｗ０Ｒ Ｌ Ｄ・ 羔 舅 舅
目
双轮 自 平衡小 车控 制 系统 设计
蚌 埠学 院电子与 电气 工程 系 孟 帅 常德 军 陈章 宝
【 摘要 】 双轮 自 平衡小车是双轮机器人研究的基础，具有多变量、非线性、强耦合等特性。本文以ｓ Ｔ ｃ１ ５ ｗ４ Ｋ ３ ２ ｓ ４ 为主控芯片，
±５ ０ ０ 、 － １ ０ ０ ０ 、 ±２ ０ ０ ０ 。／ ｓ ｅ ｃ ，可 编程控制姿态传感器 的测量 范 围，来提高读取 数据 的最 小精 度，使用 引脚２ ３ 、２ ４ 与主控 间
进行Ｉ Ｃ 通 信 。姿 态 检 测 电路 图 如 图 ３ 所示 。
基金项 目：大学生创新创业计划项 目 （ Ａ Ｈ２ ０ １ ４ １ １ ３ Ｏ ５ ｏ ３ ６ ），２ ０ １ ６ 蚌埠 学院教学研究项 目 （ ２ ０ １ ６ Ｊ ＹＸＭ２ ８ ）。
调 试 时 的参 数 设 置 和 显示 。
１ ． 小车运动平衡分析
设小车模型车体 重心到底盘重 心长度为， ，质量 为ｍ，当车 轮产生水平 向右 的加速度ａ 时，对车模 受力分析如 下图１ 所示 。
图２控 制 系 统 方框 图
２ ． １ 主 控 模 块 设 计
系统主控模块 采用Ｓ Ｔ Ｃ１ ５ 系列Ｍｃ ｕ，Ｓ Ｔ Ｃ１ ５ Ｗ４ Ｋ３ ２ Ｓ ４ 是宏
ＭＰ Ｕ６ ０ ５ ０ 采集 车身的角度和 角速度 ，通过互补滤波进行数据 融合 ，得到优化 的角度值 ，Ｃ Ｊ ， Ｔ Ｂ ６ ６ １ ２ Ｆ ＮＧ 作 为电机驱动芯 片，霍 尔元件 进行 车速测 量，构建 双轮 小车 的姿 态平衡控制和运动控制 系统 。通过姿 态解算和Ｐ Ｉ Ｄ 控 制 ，实现 了小车的平稳 运行 。
根据小车平 衡状态受力和 “ 角加速度 与 曲率半径 的乘 积等
于 切 向加 速 度 ”可 得 到车 模 运 动 过 程 中 的动 态 数 学 模 型 ：
ｅ ｄｉ （ ｔ ）
— —
ｊ
一
．
ｊ ：ｇ ｓ ｉ ｎ （ ｆ ） ＋ｄ （ ｆ ） ． ｊ —ａ （ ｆ ） ｃ 。ｓ （ ｆ ）
小时， ｓ ｉ ｎ 口 口 ， ｃ ｏ ｓ 口 ｌ ，模型可 以简化为下式。
ｄ２ ０ （ ｔ ）
— — 一
脚２ １ 、２ 、２ ２ 、４ 可 以对霍 尔传感器两相ＡＩ （ Ａ２ ） 、ＢＩ （ Ｂ ２ ） 进行外
部中断触发和计数器计数 。
．
， ｇ ） ＋口 ） ． ｚ
形 适 应 性 强 ， 引起 新 一 轮 研 究 热 潮 和 广 泛 的应 用 开 发 。双 轮 自
负实部 ，系统稳定 。
２ ． 硬件电路设计
为 实 现 双 轮 自平 衡 小 车 的平 衡 控 制 和 运 动 控 制 ， 系 统 硬 件
平衡小 车作为控制系 统的经典模 型，是验证控 制理论和力 学理 论 的理 想实验平 台，为 科学理论 的实验研究起 到了硬件平 台的
２ ． ２ 姿态检测 电路
姿 态 传 感 器 使 用 的是 ＭＰ Ｕ６ ０ ５ ０ ， 内部 集 成 了三 轴 加 速 度 计 和 三 轴 陀 螺 仪 ，所 以 又 称 为 六 轴 传 感 器 ［ ４ 】 ，具有体积 小、功耗
对 上 式 微 分 方 程 等 式 两 边 同 时 进 行 拉 普 拉 斯 变 换 ， 得 到 静 止 状 态 下 系 统传 递 函数 为 ：
【 关键词 】 双轮 自 平衡 小车；Ｓ Ｔ Ｃ １ ５ Ｗ４ Ｋ ３ ２ Ｓ ４ ； ＭＰ Ｕ ６ ０ ５ ０ ； Ｔ Ｂ ６ ６ １ ２ Ｆ ＮＧ ；Ｐ Ｉ Ｄ
负反馈 后，相 当于增加 了系统 的开环 零点 ，系 统两 极点均具有
引 言
双轮 自平衡小车 因其结构简单 、转向灵活等特 点 ，能在狭 窄空 间中行驶 ，以及在 特殊环境 下执 行特殊任 务，对变化 的地
引脚３ ０ ～ ３ ３ 、３ ４ 、３ ５ 连接 电机驱动 芯片Ｔ Ｂ６ ６ １ ２ ，控制 电机 的转
向和 转 速 ， 通 过 引脚 ３ ８ 、３ ９ 捕 获 霍 尔 传 感 器 输 入 脉 冲 ；通 过 引
在 初 始 状 态 时 ，车 轮 加 速 度６ ｃ 为０ ，并 进 行 工 程 近 似 ： 在 ０ 较
作 用 ，有 着 巨大 的研 究 价 值 】 。
设计包 括主控模块 、姿态检测模 块 （ 陀螺仪和 加速度计 ）、测 速模 块、直流 电机 驱动模块 、电源模块和 人机 交互模块 ，控制 系 统框 图如 图２ 所示 。电压转换 电路采用Ｌ Ｍ２ ９ ４ ０ — ５ ． ０ ，将 电池 组 的＋１ ２ ｖ电压转成＋ ５ ｖ，用ＡＭＳ ｌ １ ｌ ７ ． ３ ． ３ 稳 压 电路将＋ ５ Ｖ转成 ＋ ３ ． ３ Ｖ，人机交互模块使用Ｌ Ｃ Ｄ１ ６ ０ ２ 和 四个独立按键，实现系统
ｄ２ Ｏ 内置 三个１ ６ 位模 数转换器 ，加速度
计测 量范 围±２ 、 ±４ 、±８ 、 ±１ ６ ｇ ， 陀 螺 仪 测 量 范 围 ±２ ５ ０ 、
． ＝ｇ 口 （ ｆ ） ＋口 （ ｆ ） ．
由式可解 系统有一个 极点位于复频 域实轴 的右 半部分 ，所 以在静止 时车身无法达 到平衡 ，为此 需引入 比例 微分控制 ，对 车模传递 函数进行校 正，提高系 统的稳定性 。在 增加 比例微 分
晶公司生 产的增强 型８ ０ ５ １ 内核 的单 片机 。工作 电压２ ． ５ ～ ５ ． ５ Ｖ， 有６ 路硬件Ｐ ＷＭ、７ 个 定时器 、４ 组 串口、８ 路 高速 １ ０ 位Ａ ＤＣ，最
大有６ ｌ ｋ 程序Ｆ ｌ ａ ｓ ｈ 和４ ｋ 字节 Ｓ Ｒ ＡＭ ， 内部 集 成 了 时 钟 和 复 位 电 路 。通 过 引脚 １ 、３ 与 ＭＰ Ｕ６ ０ ５ ０ 进行Ｉ ２ Ｃ 通 信 ，采 集 姿 态 数 据 ，
Ｅ Ｌ Ｅ Ｃ Ｔ Ｒ ０ＮＩ Ｃ Ｓ Ｗ０Ｒ Ｌ Ｄ・ 羔 舅 舅
目
双轮 自 平衡小 车控 制 系统 设计
蚌 埠学 院电子与 电气 工程 系 孟 帅 常德 军 陈章 宝
【 摘要 】 双轮 自 平衡小车是双轮机器人研究的基础，具有多变量、非线性、强耦合等特性。本文以ｓ Ｔ ｃ１ ５ ｗ４ Ｋ ３ ２ ｓ ４ 为主控芯片，
±５ ０ ０ 、 － １ ０ ０ ０ 、 ±２ ０ ０ ０ 。／ ｓ ｅ ｃ ，可 编程控制姿态传感器 的测量 范 围，来提高读取 数据 的最 小精 度，使用 引脚２ ３ 、２ ４ 与主控 间
进行Ｉ Ｃ 通 信 。姿 态 检 测 电路 图 如 图 ３ 所示 。
基金项 目：大学生创新创业计划项 目 （ Ａ Ｈ２ ０ １ ４ １ １ ３ Ｏ ５ ｏ ３ ６ ），２ ０ １ ６ 蚌埠 学院教学研究项 目 （ ２ ０ １ ６ Ｊ ＹＸＭ２ ８ ）。
调 试 时 的参 数 设 置 和 显示 。
１ ． 小车运动平衡分析
设小车模型车体 重心到底盘重 心长度为， ，质量 为ｍ，当车 轮产生水平 向右 的加速度ａ 时，对车模 受力分析如 下图１ 所示 。
图２控 制 系 统 方框 图
２ ． １ 主 控 模 块 设 计
系统主控模块 采用Ｓ Ｔ Ｃ１ ５ 系列Ｍｃ ｕ，Ｓ Ｔ Ｃ１ ５ Ｗ４ Ｋ３ ２ Ｓ ４ 是宏
ＭＰ Ｕ６ ０ ５ ０ 采集 车身的角度和 角速度 ，通过互补滤波进行数据 融合 ，得到优化 的角度值 ，Ｃ Ｊ ， Ｔ Ｂ ６ ６ １ ２ Ｆ ＮＧ 作 为电机驱动芯 片，霍 尔元件 进行 车速测 量，构建 双轮 小车 的姿 态平衡控制和运动控制 系统 。通过姿 态解算和Ｐ Ｉ Ｄ 控 制 ，实现 了小车的平稳 运行 。
根据小车平 衡状态受力和 “ 角加速度 与 曲率半径 的乘 积等
于 切 向加 速 度 ”可 得 到车 模 运 动 过 程 中 的动 态 数 学 模 型 ：
ｅ ｄｉ （ ｔ ）
— —
ｊ
一
．
ｊ ：ｇ ｓ ｉ ｎ （ ｆ ） ＋ｄ （ ｆ ） ． ｊ —ａ （ ｆ ） ｃ 。ｓ （ ｆ ）
小时， ｓ ｉ ｎ 口 口 ， ｃ ｏ ｓ 口 ｌ ，模型可 以简化为下式。
ｄ２ ０ （ ｔ ）
— — 一
脚２ １ 、２ 、２ ２ 、４ 可 以对霍 尔传感器两相ＡＩ （ Ａ２ ） 、ＢＩ （ Ｂ ２ ） 进行外
部中断触发和计数器计数 。
．
， ｇ ） ＋口 ） ． ｚ
形 适 应 性 强 ， 引起 新 一 轮 研 究 热 潮 和 广 泛 的应 用 开 发 。双 轮 自
负实部 ，系统稳定 。
２ ． 硬件电路设计
为 实 现 双 轮 自平 衡 小 车 的平 衡 控 制 和 运 动 控 制 ， 系 统 硬 件
平衡小 车作为控制系 统的经典模 型，是验证控 制理论和力 学理 论 的理 想实验平 台，为 科学理论 的实验研究起 到了硬件平 台的
２ ． ２ 姿态检测 电路
姿 态 传 感 器 使 用 的是 ＭＰ Ｕ６ ０ ５ ０ ， 内部 集 成 了三 轴 加 速 度 计 和 三 轴 陀 螺 仪 ，所 以 又 称 为 六 轴 传 感 器 ［ ４ 】 ，具有体积 小、功耗
对 上 式 微 分 方 程 等 式 两 边 同 时 进 行 拉 普 拉 斯 变 换 ， 得 到 静 止 状 态 下 系 统传 递 函数 为 ：
【 关键词 】 双轮 自 平衡 小车；Ｓ Ｔ Ｃ １ ５ Ｗ４ Ｋ ３ ２ Ｓ ４ ； ＭＰ Ｕ ６ ０ ５ ０ ； Ｔ Ｂ ６ ６ １ ２ Ｆ ＮＧ ；Ｐ Ｉ Ｄ
负反馈 后，相 当于增加 了系统 的开环 零点 ，系 统两 极点均具有
引 言
双轮 自平衡小车 因其结构简单 、转向灵活等特 点 ，能在狭 窄空 间中行驶 ，以及在 特殊环境 下执 行特殊任 务，对变化 的地
引脚３ ０ ～ ３ ３ 、３ ４ 、３ ５ 连接 电机驱动 芯片Ｔ Ｂ６ ６ １ ２ ，控制 电机 的转
向和 转 速 ， 通 过 引脚 ３ ８ 、３ ９ 捕 获 霍 尔 传 感 器 输 入 脉 冲 ；通 过 引
在 初 始 状 态 时 ，车 轮 加 速 度６ ｃ 为０ ，并 进 行 工 程 近 似 ： 在 ０ 较
作 用 ，有 着 巨大 的研 究 价 值 】 。
设计包 括主控模块 、姿态检测模 块 （ 陀螺仪和 加速度计 ）、测 速模 块、直流 电机 驱动模块 、电源模块和 人机 交互模块 ，控制 系 统框 图如 图２ 所示 。电压转换 电路采用Ｌ Ｍ２ ９ ４ ０ — ５ ． ０ ，将 电池 组 的＋１ ２ ｖ电压转成＋ ５ ｖ，用ＡＭＳ ｌ １ ｌ ７ ． ３ ． ３ 稳 压 电路将＋ ５ Ｖ转成 ＋ ３ ． ３ Ｖ，人机交互模块使用Ｌ Ｃ Ｄ１ ６ ０ ２ 和 四个独立按键，实现系统
ｄ２ Ｏ 内置 三个１ ６ 位模 数转换器 ，加速度
计测 量范 围±２ 、 ±４ 、±８ 、 ±１ ６ ｇ ， 陀 螺 仪 测 量 范 围 ±２ ５ ０ 、
． ＝ｇ 口 （ ｆ ） ＋口 （ ｆ ） ．
由式可解 系统有一个 极点位于复频 域实轴 的右 半部分 ，所 以在静止 时车身无法达 到平衡 ，为此 需引入 比例 微分控制 ，对 车模传递 函数进行校 正，提高系 统的稳定性 。在 增加 比例微 分