双轮自平衡车设计报告

双轮自平衡车设计报告

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目录

一、双轮自平衡车原理

二、总体方案

三、电路和程序设计

四、算法分析及参数确定过程

一.双轮自平衡车原理

1.控制小车平衡的直观经验来自于人们日常生活经验。一般的人通过简单练习就可以让一个直木棒在手

指尖上保持直立。这需要两个条件：一个是托着木棒的手掌可以移动；另一个是眼睛可以观察到木棒的倾斜角度和倾斜趋势（角速度）。通过手掌移动抵消木棒的倾斜角度和趋势，从而保持木棒的直立。这两个条

件缺一不可，让木棒保持平衡的过程实际上就是控制中的负反馈控制。

图1 木棒控制原理图

2.小车的平衡和上面保持木棒平衡相比，要简单一些。因为小车是在一维上面保持平衡的，理想状态下，小车只需沿着轮胎方向前后移动保持平衡即可。

图2 平衡小车的三种状态

3.根据图2所示的平衡小车的三种状态，我们把小车偏离平衡位置的角度作为偏差；我们的目标是通过

负反馈控制，让这个偏差接近于零。用比较通俗的话描述就是：小车往前倾时车轮要往前运动，小车往后倾时车轮要往后运动，让小车保持平衡。

4.下面我们分析一下单摆模型，如图4所示。在重力作用下，单摆受到和角度成正比，运动方向相反的回复力。而且在空气中运动的单摆，由于受到空气的阻尼力，单摆最终会停止在垂直平衡位置。空气的阻尼力与单摆运动速度成正比，方向相反。

图4 单摆及其运动曲线

类比到我们的平衡小车，为了让小车能静止在平衡位置附近，我们不仅需要在电机上施加和倾角成正比的回复力，还需要增加和角速度成正比的阻尼力，阻尼力与运动方向相反。

5 平衡小车直立控制原理图

5.根据上面的分析，我们还可以总结得到一些调试的技巧：比例控制是引入了回复力；微分控制是引入了阻尼力，微分系数与转动惯量有关。

在小车质量一定的情况下，重心位置增高，因为需要的回复力减小，所以比例控制系数下降；转动惯量变大，所以微分控制系数增大。在小车重心位置一定的情况下，质量增大，因为需要的回复力增大，比例控制系数增大；转动惯量变大，所以微分控制系数增大。

二.总体方案

■小车总框图

三．电路和程序设计

1.主要元器件选型

A. STM32F103RCT6最小核心板

■小容量增强型，32位基于ARM核心的带16或32K字节闪存的微控制器USB、CAN、6个定时器、2个ADC 、6个通信接口功能。

■内核：ARM 32位的Cortex™-M3 CPU

−最高72MHz工作频率，在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHz(Dhrystone2.1)。

−单周期乘法和硬件除法。

■存储器

−从16K到32K字节的闪存程序存储器。

−从6K到10K字节的SRAM。

■时钟、复位和电源管理

− 2.0～3.6伏供电和I/O引脚。

−上电/断电复位(POR/PDR)、可编程电压监测器(PVD)。

− 4～16MHz晶体振荡器。

−内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器。

−产生CPU时钟的PLL

−带校准功能的32kHz RTC振荡器

■低功耗

−睡眠、停机和待机模式

− VBAT为RTC和后备寄存器供电

■2个12位模数转换器，1μs转换时间(多达16个

输入通道)

−转换范围：0至3.6V

−双采样和保持功能

−温度传感器

■DMA：

− 7通道DMA控制器

−支持的外设：定时器、ADC、SPI、I2C和USART

■多达80个快速I/O端口

− 26/37/51个I/O口，所有I/O口可以映像到16个外部中断；几乎所有端口均可容忍5V信号

B. L298N双直流电机驱动模块

■板载一个L298N马达控制芯片和一个7805稳压芯片。

■模块可以同时驱动2个直流电机或者一个五线四相式步进电机。

■模块输入电压6~12V

■常用的电机驱动功能够用切资料也很好找。

C.传感器MPU6050模块

■此六轴模块采用先进的数字滤波技术（卡尔曼滤波），能有效降低测量噪声，提高测量精度。模块内部集成了运动引擎DMP，获取四元数得到当前姿态。姿态测量精度0.01度，稳定性极高，性能甚至优于某些专业的倾角仪！采用高精度的陀螺加速度计MPU6050通过IIC协议输出保证数据的准确性。

■电压：3V~6V 。电流：<10mA 。体积：17.8mm X 17.8mm 重量：1.1g

■测量维度：加速度：3 维，角速度：3 维，姿态角：3 维

■量程：加速度:± 16g，角速度:± 2000°/s。

■分辨率：加速度：6.1e-5g，角速度:7.6e-3°/s。

■稳定性：加速度：0.01g，角速度 0.05°/s。

■数据输出频率 100Hz(波特率 115200)/20Hz(波特率 9600)。

■波特率 115200kps/9600kps。

D.HC-05蓝牙主从一体模块

■供电电压3.3V~3.6V；

■支持AT指令集配置模块；

■采用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V2.0协议标准；

■波特率最高为1382400bps；

■配对以后当全双工串口使用，无需了解任何蓝牙协议，但仅支持8位数据位、1位停止位、无奇偶校验的通信格式，这也是最常用的通信格式，不支持其他格式。

2电路设计

■STM32核心板原理图