两轮自平衡车实验平台的设计
基于STM32的两轮自平衡小车控制系统设计
基于STM32的两轮自平衡小车控制系统设计本文主要对两轮自平衡小车的姿态检测算法、PID控制算法两方面进行展开研究。
用加速度传感器和陀螺仪传感器融合而成的姿态传感系统与互补滤波器组合得到自平衡小车准确而稳定的姿态信息，然后PID调节器则利用这些姿态信息输出电机控制信号，控制电机的转动，从而使小车得以平衡。
标签：STM32；自平衡小车；控制系统；控制算法1 研究意义应用意义：两轮平衡车是一种新型的交通工具，它与电动自行车和摩托车车轮前后排列方式不同，而是采用两轮并排固定的方式，就像一种两轮平行的机器人一样。
两轮自平衡控制系统是一种两轮左右平行布置的，像传统的倒立摆一样，本身是一个自然不稳定体，必须施加强有力的控制手段才能使之稳定。
两轮平衡车具有运动灵活、智能控制、操作简单、节省能源、绿色环保、转弯半径为0等优点。
因此它适用于在狭小空间内运行，能够在大型购物中心、国际性会议或展览场所、体育场馆、办公大楼、大型公园及广场、生态旅游风景区、城市中的生活住宅小区等各种室内或室外场合中作为人们的中、短距离代步工具。
具有很大的市场和应用前景。
理论研究意义：车体状态运算主要是将各传感器测量的数据加以融合得出车体倾斜角度值、倾斜角速度值以及行车速度等。
平衡控制运算根据车体状态数据，计算保持平衡需要的行车速度和加速度，或者转弯所需要的左右电机速度变化值，向电机控制驱动模块发送控制指令。
运算模块相当于两轮自平衡电动车的大脑，它主要负责的工作是：控制电机的起停，向控制模块发出加速、减速、电机正反转和制动等速度控制信号，接收电机Hall信号进行车速度计算，并通过RS 一232串口向PC发送车速数据以供存储和分析。
另外，还负责接收车体平衡姿态数据，进行自平衡运算。
现有的自平衡车结构种类繁多，但车体都归根于由三层的基本结构组成，从上到下依次是电池层、主控层、电机驱动层。
电池层用于放置给整个系统供电的6V锂电池，主控层由主控芯片系统和传感器模块组成，电机驱动层接受单片机信号，并控制电机。
双轮平衡车的控制系统硬件设计方案小车机器人论文
摘要双轮自平衡车是一个高度不稳定两轮机器人，是一种多变量、非线性、绝对不稳定的系统，需要在完成平衡控制的同时实现直立行走等任务因其既有理论意义又有实用价值，双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。
本文主要介绍了双轮平衡车的控制系统硬件设计方案。
此方案采用ATmega328 作为核心控制器，在此基础上增加了各种接口电路板组成整个硬件系统，包括单片机最小系统，姿态检测模块，直流驱动电机控制模块，电源管理模块，测速编码模块，串口调试等模块。
对于姿态检测系统而言，单独使用陀螺仪或者加速度计，都不能提供有效而可靠的信息来保证车体的平衡。
所以采用一种简易互补滤波方法来融合陀螺仪和加速度计的输出信号，补偿陀螺仪的漂移误差和加速度计的动态误差，得到一个更优的倾角近似值。
本文先阐述了系统方案原理，再分别就各模块工作原理进行详细的介绍与分析，最终完成车模的制作和电路原理图以及1PCB 板的绘制。
最后根据调试情况对整个系统做了修改，基本达到设计要求。
关键词双轮自平衡车模块设计传感器AbstractTwo-wheeled self-balanced car is a highly unstable robots, it is a system with Multivariable, nonlinear and absolute instability, it needs to complete the balance control tasks such as walking upright because of both theoretical significance and practical value. Two-wheeled self-balanced car in the last decade has aroused widespread concern in the robotics laboratory.This paper describes the control system hardware design of the wheel balanced car.This program uses ATmega328 as the core controller,base on this increase of various interface circuit board to building the hardware system. Peripheral circuits including the smallest single-chip system, the gesture detection module, the DC drive motor control module, power management module, velocity encoding module and serial debugging module. For the posture monitoring system，the information solely depends on the gyroscope or the accelerometer couldn’t make sure the balance of vehide．So the signals from the gyroscope and accelerometer were integrated by a simple method of complementary filtering for an optimal angle to compensate the gyroscope drift error and the accelerometer dynamic error.This article first describes the principle of the system program，then described in detail each module how to working out, the final completion of car models produced and circuit schematics and the PCB drawing.In the end, according to debug the situation on the whole system changes, the hardware system basically reached the design requirements.Keywords two-wheeled self-balanced car modular design sensor目录前言 (1)第1章绪论 (2)1.1 设计的依据与意义 (2)1.2 国内外同类设计的概况综述 (3)1.3 设计要求与内容 (3)第2章总体硬件方案设计 (5)2.1 总体分析 (5)2.2 总体方案设计 (5)2.3 方案框图 (7)第3章单元模块设计 (8)3.1 姿态检测模块 (8)3.2 单片机控制单元模块电路 (14)3.3 电机驱动模块 (19)3.4 串行通信模块 (21)3.5 电源管理模块 (24)结论 (26)参考文献 (27)致谢 (28)附录 (29)前言自平衡车自动平衡运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”（DynamicStabilization）的基本原理上，也就是车辆本身的自动平衡能力。
两轮自平衡小车毕业设计
两轮自平衡小车毕业设计毕业设计题目：两轮自平衡小车设计一、毕业设计背景与意义目前，智能机器人技术已经在各个领域得到广泛的应用，其中自平衡小车是一种非常具有代表性的机器人。
自平衡小车能够通过自身的控制系统来保持平衡姿态，并能够实现各种转向和动作。
因此，自平衡小车不仅能够广泛应用于工业生产中，还可以成为搬运、巡逻和助力等领域的优秀协助工具。
本毕业设计的目标是设计和实现一种能够自动控制、实现平衡的两轮自平衡小车。
通过这个设计，进一步探究并研究自平衡技术的原理及应用，增加对机器人控制系统和传感器的理解，提高对计算机控制和嵌入式系统的应用能力。
二、毕业设计的主要内容和任务1.研究和调研a)研究两轮自平衡小车的构造和原理；b)调研目前市场上相关产品，并分析其特点和存在的问题。
2.模块设计a)根据研究结果，设计自平衡小车的主要模块，包括平衡控制模块、动作控制模块和传感器模块；b)设计相关控制算法和策略，使小车能够保持平衡并能够实现转向和动作。
3.硬件搭建和调试a)根据模块设计的结果，搭建小车的硬件系统，包括选择适用的电机、陀螺仪、加速度计等；b)进行相应的调试和优化，保证小车的平衡和动作控制能力。
4.软件开发和系统集成a)开发小车的控制系统软件，包括实时控制系统和传感器数据处理等；b)将硬件系统和软件系统进行有机地集成，实现小车的平衡和动作控制。
5.实验和测试a)进行实验测试，验证设计的有效性和稳定性；b)进行相关的性能测试和比较研究。
三、设计预期成果1.自平衡小车的系统设计和实现，能够平衡姿态并能够实现转向和动作控制；2.控制系统软件的开发和优化，实现小车的实时控制和数据处理；3.相关模块和算法的设计和实现，如平衡控制模块和动作控制模块；4.实验和测试结果的总结和分析；5.毕业设计报告的撰写。
四、设计周期和工作安排1.阶段1：研究和调研阶段（1周）2.阶段2：模块设计阶段（2周）3.阶段3：硬件搭建和调试阶段（2周）4.阶段4：软件开发和系统集成阶段（2周）5.阶段5：实验和测试阶段（1周）6.阶段6：总结和报告撰写阶段（2周）五、预期解决的关键问题和技术难点1.小车平衡控制算法的设计和优化；2.小车动作控制算法的设计和优化；3.小车硬件系统与软件系统的有效集成；4.多个传感器数据的处理和融合。
两轮自平衡小车设计报告
两轮自平衡小车设计报告设计报告：两轮自平衡小车一、引言二、设计理念本设计希望实现一个简洁、稳定和高效的两轮自平衡小车。
考虑到小车需要快速响应外界环境变化，并迅速做出平衡调整，因此采用了传感器、控制器和执行机构相结合的设计思路。
通过传感器获取小车倾斜角度和加速度等数据，通过控制器对采集的数据进行处理和判断，并通过执行机构实时调整车身的倾斜角度，以实现平衡行走。
三、原理四、硬件结构1.车身结构：车身由两个电机、一个控制器、一个电池和一个平衡摆杆组成。
2.电机：采用直流无刷电机，具有较高的转速和输出功率。
3.控制器：采用单片机控制模块，能够对传感器数据进行处理和判断，并输出控制信号给电机。
4.传感器：主要包括陀螺仪、加速度计和倾斜传感器，用于感知小车的倾斜角度和加速度等数据。
5.电池：提供小车的电力供应，保证小车正常运行。
五、软件控制小车的软件控制主要包括数据处理和判断、控制信号生成和输出三个方面。
1.数据处理和判断：通过获取的传感器数据，包括倾斜角度和加速度等信息，根据预设的控制算法进行数据处理和判断。
2.控制信号生成：根据处理和判断得出的结果，生成相应的控制信号。
控制信号包括电机的转动方向和速度。
3.控制信号输出：将生成的控制信号输出给电机，实现倒立摆的平衡。
六、小车性能测试为了验证小车的设计和功能是否符合预期，进行了多项性能测试。
1.平衡行走测试：将小车放在平坦的地面上，通过传感器检测到小车的当前倾斜角度并进行调整，实现小车的自平衡行走。
2.转向测试：在平衡行走的基础上，通过控制信号调整两个电机的速度差，从而实现小车的转向。
3.避障测试：在平衡行走和转向的基础上，添加超声波传感器等避障装置，实现小车的避障功能。
七、总结通过本设计报告的详细介绍，我们可以看出两轮自平衡小车具备平衡行走、转向和避障等功能，为用户提供了一个稳定、高效的移动平台。
未来，我们将进一步优化小车的设计和控制算法，提高小车的性能和应用范围。
毕业设计(论文)-两轮自平衡小车的设计
Key Words: Two-Wheel Self-Balance; Gyroscope; Gesture detection; Kalman filter; Data fusion
II
目
录
1.绪论·························································································································· 1
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
两轮自平衡车控制系统的设计与实现
两轮自平衡车控制系统的设计与实现一、自平衡车系统概述1、定义自平衡车是一种以双轮直立结构/双轮平移结构的小型无线遥控电动车，最初由电动车作为主要的运动机构，但也有可能有其他特殊机构，进行实时控制，使其能够在平衡和模式控制下，保持水平稳定态，实现自动平衡、自主康复和自由行走。
2、系统功能自平衡车系统的功能是通过实时控制平衡并实现模式控制，使自平衡车实现自动平衡、自主康复和自由行走，从而达到智能化的操作目的，解决双轮自行车无主动平衡功能的问题。
二、系统设计1、硬件系统自平衡车的硬件系统由电池、ESC（电子转向控制器）、遥控组件、周边传感器组件、电路板组件等构成。
2、软件系统自平衡车的控制系统主要由ARMCortex-M0 MCU、单片机程序、PID算法组成。
三、系统实现1、硬件系统实施（1）第一步，在自平衡车上安装ESC，ESC的电池由智能充电器连接，使自平衡车进行自动充电；（2）第二步，给控制器方向键插上遥控器，使用户可以控制车辆移动；（3）第三步，在车辆上安装多个传感器，在控制板上增加芯片，使用户可以对车辆进行实时监测；（4）第四步，在控制板上安装一个ARM Cortex-M0 MCU处理器，将控制算法由单片机程序烧录形成可控制的处理系统。
2、软件系统实施（1）随着ARM处理器的安装，自平衡车可以被SONI的特殊的烧录器进行烧录，该程序可以控制车辆的转向和速度；（2）安装完毕后，需要建立多个变量从传感器接受数据，读取车辆的平衡状态，并控制车辆前后左右的运动；（3）最后，我们选择PID算法来实现车辆实时的控制，根据车辆当前的实际情况，调节PID距离和速度增量使自平衡车实现实时的模式控制。
四、结论本文介绍了自平衡车控制系统的设计思想和实现步骤，通过控制平衡，实现自动平衡、自主康复和自由行走，使得自平衡车有更多的功能，在以后的应用中，自平衡车的研究和应用实际会有很大的推动作用。
基于新型惯性传感器的两轮自平衡车的设计
基于新型惯性传感器的两轮自平衡车的设计作者：王恒桑元俊来源：《现代电子技术》2017年第18期摘要：两轮自平衡车是检验各种控制算法的理想平台之一。
设计了两轮自平衡车的实验平台，车体姿态数据采集采用新型加速度传感器和陀螺仪传感器组合，型号分别为ST 公司的LIS331DLH和L3G4200D。
姿态检测数据融合算法采用卡尔曼滤波算法，系统控制算法采用倾角环，角速度环与电流环的PID控制方法。
最后，制作了两轮自平衡车的原型，并给予了初步运动控制验证。
该实验平台能够初步实现自平衡功能，后续的研究将着重对各种控制算法在该平台的验证研究。
关键词：两轮自平衡车；惯性传感器；数据融合；卡尔曼滤波； MSP430F149中图分类号： TN876.3⁃34； TP24 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2017）18⁃0049⁃06Design of a two⁃wheeled self⁃balancing vehicle based on novel inertial sensorsWANG Heng1， SANG Yuanjun2（1. Jincheng College， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 211156， China；2. School of Mechanical Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240，China）Abstract： The two⁃wheeled self⁃balancing vehicle is one of the ideal experimental platforms to test various control algorithms. An experimental platform of the two⁃wheeled self⁃balancing vehicle was designed. A novel combination of the acceleration sensor and the gyroscope sensor is used for the vehicle attitude data acquisition. Their models are LIS331DLH and L3G4200D made by ST Company. Kalman filter algorithm is adopted in vehicle attitude detection data fusion. The PID control method of the angle loop， the angular loop and the current loop is adopted as the system control algorithm. A prototype of two⁃wheeled self⁃balancing vehicle was manufactured， and its motion control was preliminarily verified. The experimental platform can preliminarily realize the self⁃balancing function， and future studies will focus on the validation of various control algorithms on the self⁃balancing vehicle experimental platform.Keywords： two⁃wheeled self⁃balancing vehicle； inertial sensor； data fusion； Kalman filter； MSP430F1490 引言两轮自平衡车（two⁃wheeled self⁃balanced vehicle）或两轮自平衡机器人（two⁃wheeled self⁃balanced robot），其系统是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的系统[1]，核心问题就是如何保证各种工况下运动姿态的平衡控制及导航[2]。
两轮自平衡小车设计
两轮自平衡小车设计一、任务要求图1两轮自平衡车两轮自平衡车结构原理如图1所示，主控制器（DSP）通过采集陀螺仪和加速度传感器得到位置信号，通过控制电机的正反转实现保持小车站立。
1、通过控制两个电机正反运动，实现小车在原地站立。
2、实现小车的前进、后退、转弯、原地旋转、停止等运动；二、方案实现2.1电机选型图2直流电机两轮自平衡车由于需要时刻保持平衡，对于倾角信号做出快速响应，因此对电机转矩要求较大。
在此设计中选用国领电机生产的直流电机，其产品型号为GB37Y3530，工作电压6v-12v。
为增大转矩，电机配有1:30传动比的减速器。
2.2电机测速方案图3霍尔测速传感器在电机测速方案上主流的方案有两种，分别是光电编码器和霍尔传感器。
光电编码器测量精度由码盘刻度决定，刻度越多精度越高；霍尔传感器精度由永磁体磁极数目决定，同样是磁极对数越高精度越高。
由于两轮自平衡车工作于剧烈震动环境中，光电编码器不适应这种环境，因此选用霍尔传感器来测量速度。
电机尾部加装双通道霍尔效应编码器，AB双路输出,单路每圈脉冲16CPR,双路上下沿共输出64CPR，配合1:30的减速器传动比，可以计算出车轮转动一圈输出的脉冲数目为64X30=1920CPR，完全符合测速要求。
2.3电机驱动控制系统概述本平台电机驱动采用全桥驱动芯片L298N，内部包含4通道逻辑驱动电路，两个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器。
本驱动桥能驱动46V、2A 以下的电机。
其输出可以同时控制两个电机的正反转，非常适合两轮自平衡车开发，其原理图如下图所示图4L298N原理图采用脉宽调制方式（即PWM，Pulse Width Modulation）来调整电机的转速和转向。
脉宽调制是通过改变发出的脉冲宽度来调节输入到电机的平均电压，即通过不同方波的平均电压不同来改变电机转速。
图5PWM脉宽调节示意2.4倾角位置采集倾角和角速度采集是两轮自平衡车控制的重点，选用MPU6050模块作为其采集模块。
两轮电动平衡车系统电路设计详解—电路图天天读（174）-全文
两轮电动平衡车系统电路设计详解—电路图天天读（174）-全文在国外，两轮载人平衡车早已被用于一些公共场合了，如今很多机场、火车站、汽车站等公共场所都运用了两轮载人平衡车。
研究两轮平衡车小车有利于研究两轮载人平衡车。
本作品主要由一块IAP15F2K61S2单片机开发板做主控板，一个电源和传感器模块来采集角度数据并为系统供电，一个测速模块来测得电机的速度信息，最后把角度信息转化成PWM输出给一个电机驱动模块来控制两个空心杯电机。
本设计是基于IAP15F2K61S2单片机系统开发的两轮平衡车，采用IAP15F2K61S2单片机开发板做主控板，用MPU6050 陀螺仪和加速度传感器采集加速度和角速度，通过计算得出角度以确定小车姿态，再通过光电门传感器测出小车电机转速，以计算出车速，运用PID算法再根据传感器测得数据处理后对电机驱动进行PWM输出，调节合适的PID参数使小车能稳定直立起来。
本作品使用简单，打开总开关小车即可直立。
两轮载人平衡车在一些公共场合有一定的优势，研究两轮平衡小车对开发两轮载人平衡车有一定的帮助，本作品具有结构简单清晰，使用方便等特点。
设计特色：小车底盘是我们用游标卡尺量出电机支架的孔径和位置，用Altium Designer 软件画出底盘模型，再用雕刻机和亚克力板雕刻出底盘。
车上面传感器模块和电池盒的安装具有对称性，使小车重心在电机上方，传感器安装比电机稍微高点，大概在重心处，这样有助于小车的平衡和稳定性。
在算法上我们采用精简PID算法和卡尔曼滤波算法来控制电机，使系统更稳定可靠。
平台选型说明：本系统采用IAP15F2K61S2单片机开发板做主控板，IAP15F2K60S2是1T的8051单片机。
是真正意义上的单片微机，宽工作电压，不需要外部复位电路和外部晶振，内部晶振5—33.1776M 可选。
片上外设丰富，具有3通道捕获\比较单元（CCP/PCA/PWM），8通道10位高速 AD，3个定时器/计数器，双串口，高速串行通信ISP 接口，大容量片内EEPROM。
双轮自平衡车设计报告
双轮自平衡车设计报告学院…………..........班级……………………姓名………………..手机号…………………..姓名………………..手机号…………………..姓名………………..手机号…………………..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。
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。
双轮自平衡小车项目设计报告
电子与信息工程学院项目设计报告项目名称双轮自平衡小车设计专业电子信息科学与技术目录一自平衡小车的总体方案设计 (4)1、自平衡小车的设计方案 (4)2、自平衡小车的总体框图 (4)二系统的具体设计与实现 (5)1、单片机控制模块 (5)2、陀螺仪加速度计模块 (5)3、光码盘测速模块 (7)4、稳压模块 (8)5、电机驱动模块 (9)6、LCD1602显示模块 (12)三软件系统设计 (18)1、设计思想 (18)（1）PID技术 (18)（2）应用现状 (18)（3）PID调节规律 (19)（4）极点配置 (20)（5）极点配置条件 (20)（6）极点配置控制器 (23)2、程序流程图 (24)3、程序代码 (25)摘要随着科技进步，生活水平的提高，人们追求智能与舒适的愿望也日益强烈。
从而催生了许多智能化的产品。
如智能电视、智能小车等。
如何实现小车的小车的自动快捷驾驶，也成为人们心中的向往与疑问，基于这种趋势与需求，着眼于实际情况。
本文介绍了基于STC90C51单片机的自平衡小车系统的设计。
系统基于陀螺仪等传感器，利用PID平衡算法，对小车的速度倾斜角度平衡状态来进行检测，并通过单片机来控制电机来实现双轮小车自如平衡地运动。
从而实现小车智能自主控制的目的。
关键词：STC90C51 自平衡PID算法该自平衡小车，采用STC90C51单片机和各种传感器的组合，构成了自平衡小车系统。
其系统主要由以下几个部分组成：单片机控制系统、陀螺仪加速度检测模块、光码盘测速模块、稳压模块、电机驱动模块、LCD1602显示模块组成。
本设计的自平衡小车工作原理：给小车通电，平衡放在地上，当小车开始倾斜时，陀螺仪及时地采集的小车倾斜角度数据传给单片机，而加速度计将车子倾斜的瞬时加速度采集后也传给单片机，同时，光码测速仪也将车子的实时速度采集后传给单片机。
单片机系统收集到以上三组数据，对数据进行量化处理后，在PID 平衡算法的控制下，控制电机及时地做出前进或后退或加速或减速的反应，使车子在一个小角度范围内做平衡地来回摆动，以保持车子的不倒。
设计一种两轮自动寻道平衡车-物理中心
【作品介绍】基于电机驱动倒立摆的两轮自动寻道平衡车的设计摘要：随着现代科技的发展，人民生活水平不断提高，四轮车正在走进千家万户，为了节能减排，向绿色化交通发展，本课题提出了两轮平衡车。
利用物理学倒立摆平衡原理和电子技术制作了两轮自动寻道平衡车。
该作品包括1个芯片MC9S12XS、1个陀螺仪ENC03、1个加速度计MMA7260、1个线性CCD传感器TSL1401、4个按键和1个液晶显示器5110组成。
通过按钮改变在液晶屏上显示的参数，能在不同类型的道路上自动寻道，以适当的速度自动地前进。
能够顺利地通过弯道、十字叉道、虚线道、坡道，减速通过障碍地带，检测到终止线后在终止线处停车。
实验结果表明，该作品已实现了双轮车自动寻路，稳定行驶，具有性能可靠、操作方便、行驶自如等特点，达到国内先进水平。
关键词：两轮自平衡；倒立摆；自动寻道物理学原理与电子技术的结合，促进了人类文明的发展。
基于电机驱动倒立摆[1]的两轮自动寻道平衡车的设计，就是以物理学原理与电子技术专业知识为基础，结合课外活动小组人员的兴趣，制作的一件创新作品。
1 设计方案两轮自动寻道平衡车是由1个芯片MC9S12XS、1个陀螺仪ENC03、1个加速度计MMA7260、1个线性CCD传感器TSL1401、4个按键和1个液晶显示器5110组成。
该作品采用1节7.2V可充电的镍镉蓄电池供电。
由电源模块、驱动模块、显示系统、控制系统4个部分组成，其结构电路图如图1所示。
图1 结构电路图其中电源模块电路图如图1所示。
图1 电源模块电路图其中驱动系统电路图如图2所示。
图2 驱动电路原理图驱动系统利用1个MC9S12XS单片机作为驱动系统核心，10个BTN7860B芯片控制80个信号输出口，其中MC9S12XS 单片机的2个AD端口分别控制陀螺仪ENC03和加速度计MMA7260，接收陀螺仪和加速度计分别测得的角速度和g*sinθ数据，软件通过卡尔曼滤波，将角速度和角度柔和，在虚拟示波器上显示卡尔曼滤波[2]，卡尔曼滤波示意图如图3所示，运用PID控制原理，将柔和的角度加上一个放大比例P输出占空比，控制4个PP端口电机的不同的转数。
两轮自平衡小车的设计及实现
106（4）统计处理与非线性处理相结合，以便于确定非线性特征的判别区域；（5）检测问题与分类问题相结合，将检测问题转化为二元分类问题，以适应非加性背景的情况。
5 结束语海杂波中目标检测问题探索性强、难度大，且在未来海上作战中具有强烈的应用需求，这对雷达系统的海面目标探测能力提出了更高的要求。
充分探索海杂波的各类统计特性，有针对性地设计精细化的目标检测算法对提高的海面目标检测性能、适应未来复杂海战场环境下对预警探测系统的要求具有重要的意义。
参考文献[1]何友,黄勇,关键,陈小龙.海杂波中的雷达目标检测技术综述[J].现代雷达,2014,36(12):1-9.[2]丁昊,董云龙,刘宁波等.海杂波特性认知研究进展与展望[J].雷达学报,2016,5(5):499-516.[3]陈小龙,关键,黄勇,何友.雷达低可观测目标探测技术[J].科技导报,2017,35(11):30-38.[4]Zhou W, Xie J, Li G, Du Y. Robust CFAR DetectorWithWeighted Amplitude Iterationin Nonhomogeneous SeaClutter [J]. IEEE Transactions on Aerospace andElectronic System, 2017, 53(3): 1520-1535.[5]Zhou W, Xie J, Zhang B, et al. Maximum LikelihoodDetector in Gamma-distributed Sea Clutter[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2018, 15(11): 1705-1709.[6]Weinberg G V. Assessing Pareto Fit to High-resolutionHigh-grazing-angle Sea Clutter[J]. Electronics Letters, 2011, 47(8): 516-517.[7]Tao D, Anfinsen S N, Brekke C. Robust CFAR DetectorBased on Truncated Statistics in Multiple-Target Situations[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2016, 54(1): 117-134.[8]Zhou W, Xie J, Xi K, et al. Modified Cell AveragingCFAR Detector Based on Grubbs Criterion in Non-homogeneousBackground[J]. IET Radar, Sonar & Navigation, 2019, 13(1): 104-112.作者简介赵和鹏（1977-），男，山东省泰安市人。
双轮平衡车设计
• 196•进入新世纪后，我国人工智能行业逐渐崭露头角，智能机器人、智能安装机器人、无人驾驶等新型科技产业飞速发展。
在双轮平衡车领域，科技人员通过对陀螺仪的研究，也将其纳入发展行列。
当今世界绿色主题发展越来越明显，随着科技的进步，清洁能源的大量投入使用使得电动汽车的数量在不断增加。
为解决交通拥挤等问题，研究者以简洁、小型化为出发点，开发出了一款两轮电动平衡车。
1 系统框架在设计中本装置的硬件电路主要包含：提供工作的电压并各个电路模块降压电路的设计、转向、STM32F103ZET6控制系统电路、光耦隔离电路的设计等。
由于系统各部分电路所需的电压不同，因此需要特殊的电压转换电路来保证系统中各电路的正常工作。
平衡数据、转向数据采集由集成处理模块MPU6050中的六轴运动和倾斜信号传感器处理，主控制系统以数据为基础进行判断，数据处理，通过高级定时器TIM1（TIM8）输出不同占空比的PWM 波绕两个电机转速，使平衡车一直处于平衡状态。
2 电机驱动模块2.1 无刷直流电机无刷直流电动机的结构与普通直流电动机的结构非常相似。
无刷直流电动机的三相绕组均匀分布在120°空间内,使用该绕组分布方法可以最大程度的节约空间，为转子提供稳定的控制回路。
一般来说有三个绕组连接，一个用于Y 连接，另一个用于星形连接。
本文采用的连接方法是星形连接，电动机驱动电路中有六个功率晶体管分别为VT1、VT3、VT4、VT5、VT6，两个DC 控制端分别为DC+、DC-。
转子的实时位置数据，判断控制电路的功率晶体管的开西北民族大学电气工程学院 王元琪 李远航双轮平衡车设计闭情况。
通过控制上臂和下臂六个功率晶体管的导通顺序，实现了电动机线圈的通电顺序的变化。
该电机具有转矩和速度特性好、动态响应速度快、效率高、使用寿命长、转向过程无火花、运行平稳、维护方便等优点。
2.2 门极驱动电路设计平衡车的控制系统中电机的控制是至关重要的。
两轮自平衡小车设计报告
沈阳工业大学信息科学与工程学院第五届创新杯大学生电子设计竞赛双轮自平衡小车摘要: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TB6612控制小车两个电机，来使小车保持平衡状态，通过手机蓝牙与小车上蓝牙模块连接以控制小车运行状态。
关键字：智能小车；单片机；陀螺仪；蓝牙模块。
一、系统完成的功能根据老师的指导要求，在规定的时间内，由团队合作完成两轮自平衡小车的制作，使小车在一定时间内能够自助站立并且自由行走，以及原地转圈，上坡和送高处跃下站立。
二、系统总体设计原理框架图图2.1 系统总体框图三.系统硬件各个组成部分介绍3.1.STM32单片机简介（stm32rbt6）主控模块的STM32单片机是控制器的核心部分。
该单片机是ST意法半导体公司生产的32位高性能、低成本和低功耗的增强型单片机，它的内核采用ARM 公司最新生产的Cortex—M3架构，最高工作频率可达72MHz，256K的程序存储空间、48K的RAM，8个定时器／计数器、两个看门狗和一个实时时钟RTC，片上集成通信接口有两个I2C、3个SPI、5个USART、一个USB、一个CAN、两个和一个SDIO，并集成有3个ADC和一个DAC，具有80个I／0端口。
STM32单片机要求2.0～3.6V的操作电压(VDD)，本设计采用5.0V电源通过移动电源给单片机供电。
3.2.陀螺仪传感器陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度。
本设计选用MPU-6050。
MPU-60X0 是全球首例9 轴运动处理传感器。
它集成了3 轴MEMS 陀螺仪，3 轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP（Digital Motion Processor），可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。
扩展之后就可以通过其I2C 或SPI 接口输出一个9 轴的信号（SPI 接口仅在MPU-6000 可用）。
MPU-60X0 也可以通过其I2C 接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器MPU-60X0 对陀螺仪和加速度计分别用了三个16 位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。
两轮自平衡小车论文
2013年全国大学生电子设计竞赛两轮自平衡小车设计作者：杨魏，黄敏杰，夏俊逸2015.7.17摘要本文采用自制的两轮简易小车作为试验平台，以MEMS传感MPU6050为传感器的姿态感知系统，通过离散卡尔曼滤波器对两种传感器的数据进行滤波融合，选用32位单片机STM32F103RB为控制核心处理器，完成对数据的采集处理和车身控制，采用PID控制算法实现小车两轮自平衡。
用蓝牙控制前后运动。
实验结果验证了该系统的性能满足设计要求。
关键词：两轮自平衡；姿态感知；STM32F103RB；卡尔曼滤波；PID控制。
目录1系统方案 (1)1.1 姿态检测模块的论证与选择 (1)1.2 电机驱动模块的论证与选择 (1)2 系统硬件设计 (1)2.1 STM32F103RB 单片机系统 (2)2.1.1 STM32F103RB 单片机介绍 (2)2.1.2单片机最小系统设计 (3)2.1.3 电源管理模块设计 (4)2.2 姿态检测模块MPU-6050 (5)2.2.1 MPU-6050简介 (5)2.2.3数字运动处理器（DMP） (6)2.3速度检测模块设计 (7)2.3.1编码器介绍 (7)2.3.2 编码器电路设计 (8)2.4 电机驱动模块 (8)2.4.1 L298N简介 (8)2.4.2 L298N特点 (9)3理论分析与计算 (9)3.1 两轮平衡小车数学模型 (9)3.2 PID控制器设计 (10)3.2.1 PID控制器原理 (10)3.2.2 PID控制器设计 (11)3.2.3 PID程序 (12)3.3 基于卡尔曼滤波的数据融合 (13)4 系统软件设计 (15)4.1 系统软件设计框架 (15)4.2 资源模块初始化 (15)4.3 两轮小车姿态信息检测 (16)5测试方案与测试结果 (16)5.1测试方案 (16)5.1.1硬件连接检测 (16)5.1.2小车功能检测 (16)5.2 测试分析与结论 (16)1系统方案本系统主要由姿态检测模块、电机驱动模块、蓝牙模块、红外对管模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
《基于双轮自平衡小车的PID参数验证平台的设计》范文
《基于双轮自平衡小车的PID参数验证平台的设计》篇一一、引言随着智能控制技术的快速发展，双轮自平衡小车作为一种典型的动态系统，被广泛应用于智能交通、服务机器人和智能家居等领域。
PID（比例-积分-微分）控制算法作为最常用的控制策略之一，在双轮自平衡小车的控制中起着至关重要的作用。
本文旨在设计一个基于双轮自平衡小车的PID参数验证平台，为优化PID参数提供有效的工具和手段。
二、设计目标本设计的核心目标是构建一个功能完善、操作简便的PID参数验证平台，以实现对双轮自平衡小车PID控制参数的精确验证和优化。
该平台应具备以下特点：1. 高度集成化：整合硬件设备和软件算法，实现一体化设计。
2. 实时性：能够实时监测和调整小车的运行状态，为PID参数的调整提供实时反馈。
3. 便捷性：操作界面友好，便于用户进行参数设置和调整。
4. 通用性：适用于不同型号和规格的双轮自平衡小车。
三、平台架构设计本平台主要由硬件设备和软件算法两部分组成。
（一）硬件设备硬件设备包括双轮自平衡小车、传感器、控制器、电源等。
其中，双轮自平衡小车采用典型的两轮驱动结构，通过电机驱动实现平衡和移动；传感器用于实时监测小车的状态信息，如角度、速度等；控制器负责接收传感器数据，根据PID算法计算出控制指令，驱动电机实现小车的平衡和移动；电源为整个系统提供稳定的电力供应。
（二）软件算法软件算法主要包括PID控制算法、数据采集与处理、用户界面等部分。
PID控制算法是本平台的核心，负责根据小车的状态信息计算出控制指令；数据采集与处理负责实时采集传感器数据，并进行预处理和存储；用户界面提供友好的操作界面，便于用户进行参数设置和调整。
四、PID参数验证流程设计本平台通过以下步骤进行PID参数的验证和优化：1. 初始化：设置初始的PID参数，启动小车和平台。
2. 数据采集：通过传感器实时采集小车的状态信息，如角度、速度等。
3. PID计算：根据采集的数据和设定的PID参数，计算出控制指令。
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STM32F103C8T6
VDD JNRST JTD1 JTMS JTCK
JTDO NRST
+5 V
JP1
12 34 56 78 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
JLINK
PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7
PB8 PB9 PB10 PB11 PB12 PB13 PB14 PB15
等动作模式。
1 系统设计
本设计采用模块化设计思想，系统总体功能框图如图 1
所示，分为五个模块，分别为：电源管理模块，微处理器模块，
电机驱动模块，姿态传感器数据采集模块，以及蓝牙无线通
讯模块。电源管理模块负责整个系统的供电，微处理器模块
为系统的控制与数据处理核心，姿态数据采集模块为采集小
车的姿态（包括加速度和角速度），然后通过微处理器控制算
源管理模块，微处理器模块，电机驱动模块，姿态传感器数据采集模块，以及蓝牙无线通讯模块。本设计从硬件电路，软件
设计对系统的5个模块分别进行了详细设计。最后，制作了两轮自平衡小车的原型，并给予了初步运动控制验证。该实验平台能
够初步实现自平衡功能，后续的研究将着重于对控制算法在该平台的验证研究。
关键词：两轮自平衡小车；数据融合；卡尔曼滤波；STM32
VDDA 9 VDDA
VSSA 8
STM32F103C8T6
1 4.7U VDDA
6
22
7
22
11
1.5 kΩ
10
1.5 kΩ
GND GND GND GND
J6 2 1
JMP3
+5 V
JI0
1 2 3 4 5
CON5
VDD
8
10 kΩ
4
BOOT0
100 kΩ
6
7
0.1 uF 0.1 uF
8
0.1 uF
12 1 kΩ 0.1 uF
LED
22
4.7 kΩ
23
4.7 kΩ
3 EN BY 4
3.3 V LDO
0.01 uF
VCC_5 V J2CON4
14
SCL SDA
1 2 3 4
VCC_3.3 V
22
100 uF MB
Motor
MA Motor
23
0.1 uF
CMSIS 架构的固件库开发平台，软件版本为 MDK V4.12，它 支持常见的 ARM7，ARM9 和 ARM 最新内核的 CM3 系列微 处理器。
开始
STM32初始化 SystemInit(),Delay_init(),
NVIC_Configuration()
控制过程 ：角速度和加速度经过闭环控制之后产生一个结果，
其运算结果用来改变 PWM 脉冲的占空比，进而分别控制了左
电机和右电机的转速。在两个电机之间加入二极管主要是为了
保护电路的安全运行。
表 1 引脚状态电机制动
电机Ａ
ＩＮ１
ＩＮ２
电机Ｂ
ＩＮ３
ＩＮ４
正转
１
０正转１０ Nhomakorabea反转
０
１
反转
０
１
停止
０
０
停止
０
０
——
USB_DM 32
USB_DP 33
JTMS PB13 DIO 34
PA14 37
PA15 38
PC13 2 PC14 3 PC15 4
U2A
PA0-WKUP PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7
PA8 PA9 PA10 PA11 PA12 PA13 PA14 PA15
PC13-TAMPER-RTC PC14-OSC32_IN PC15-OSC32_OUT
MPU6050初始化 MPU6050_init(0
读取MPU6050数据 IIC_6050()
VCC_5 V
图 3 电机驱动电路
VCC_3.3 V
进入卡尔曼滤波器得到倾角 Kalman()
倾角PID控制 PID()
10
4.7 uF
Q2
VCC_3.3 V
D10
1 IO 2 GND
O5
11
10 uF
21
图 1 系统功能框图
智能处理与应用
Intelligent Processing and Application
2 硬件电路设计 2.1 电源管理模块
系统主要使用的电平为 12 V，5 V，3.3 V 共三种电平， 其中 STM32F103C8T6、MPU6050、HC-06 主要采用 3.3 V 供 电，电机驱动模块用 12 V 和 5 V 供电。所以，本设计总电源 使用 12 V 的锂电池供电，采用 LM2576 将锂电池进行降压为 5 V，再利用 LM1117 把得到的 5V 电平降为 3.3 V。 2.2 STM32F103 微处理器模块
DOI:10.16667/j.issn.2095-1302.2015.11.038
智能处理与应用
Intelligent Processing and Application
两轮自平衡车实验平台的设计
王 恒，沈梦娇
（南京航空航天大学金城学院 自动化系，江苏 南京 211156）
摘 要：两轮自平衡小车具有重要的应用与理论研究意义。文中设计了两轮自平衡小车的实验平台，系统分为5个模块：电
中图分类号：TP242.3
文献标识码：A
文章编号：2095-1302（2015）11-0088-04
0引言 两轮自平衡小车（two-wheeled self-balanced vehicle）或两
轮自平衡机器人（two-wheeled self-balanced robot）是一种类似 人类直立姿态的平衡控制系统，其核心问题是如何保证在各工 况下运动姿态的平衡控制及导航 [1]。两轮自平衡小车或机器人 系统是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的系统 [2]。 其系统设计不仅要考虑机械结构的运动学设计 [3] ，也要考虑动 力学设计 [2]、能量设计 [4]、控制系统的参数辨识、控制系统的 滤波处理 [5] 等，然后建立相应的控制策略，设计确实可行的控 制器 [6]，实现自平衡小车在各工况下的运动平衡控制。
9
1 uF
5 BOOT1 100 kΩ
图 2 STM32F103 微处理器的最小系统电路
２０１５年 ／ 第１１期 物联网技术 ８９
智能处理与应用
Intelligent Processing and Application
来实现小车的左转、右转、前进和后退。HC-06 原理图如图 5
所示。
+5 V+12 V 100 uF 0.1 uF
5 OSC_IN 6 OSC_OUT
44 BOOT0
7 NRST
VDD
USB_DM
VDD USB_DP
D1 LED0
3 330 1 kΩ
PA8 VDD
U2B BAT 1 VBAT
VDD VDD VDD
24 36 48
VDD_1 VDD_2 VDD_3
VSS_1 VSS_2 VSS_3
23 35 47
两轮自平衡小车在实践应用上，可用于军事领域中的侦 查、排雷、单兵载人等，或作为日常生活中的短途交通工具 [7]。 然而，目前两轮自平衡小车更多的是其理论研究的意义，它是 检验各种控制理论控制性能的一个较好的实验平台 [8]。目前国 内不少院校都对两轮自平衡小车进行了研究，主要为哈尔滨工 业大学赵杰团队 [8]，西安电子科技大学屈胜利团队 [9]，北京工 业大学阮晓刚团队 [1, 2] 等。国外也对两轮自平衡小车有研究， 如 Sayidmarie[10] 等对两轮自平衡机器人上坡的平衡控制进行 了研究，Slavov[11] 等人基于线性二次型控制（linear-quadratic regulator，LQR）对两轮机器人进行了研究，Larimi[12] 等构建 了反作用轮系辅助的两轮小车的新型的稳定算法，Kim[13] 等建 立了两轮自平衡移动机器人的动态模型等。这说明两轮自平衡 小车不仅仅在应用需求上，尤其在学科理论需求上，对其研 ————————————————
PD0-OSC_IN PD1
BOOT0
NRST
VDD
18 PB0 19 PB1 20 BOOT1 39 JTDO PB3 40 JNRST PB4 41 PB5 42 PB6 43 PB7
45 PB8 46 PB9 21 PB10 22 PB11 25 PB12 26 PB13 27 PB14 28 PB15
结合陀螺仪的快速响应特性和加速度传感器的长时间稳定特
性，得到小车的倾角。然后通过 PID 算法使小车能够处在一
个相对平衡的位置，从而保持直立的姿态。系统控制参数的
选择采用系统辨识的方法，在 Matlab 仿真平台得到系统的优
化参数，并写入编写好的 C 语言软件，通过 HC-06 蓝牙模块
可以使用 Android 手机控制小车实现前进、后退、左转、右转
系 统 采用 STM32F103C8T6 意 法半 导 体（ST） 的 32 位 ARM Cortex-M3 内核的微处理器。该处理器正常工作主频为 72 MHz，具有 12 bit 分辨率的 ADC，以及 16 bit 电机控制 PWM 定时器，2 个 I2C 接口（SMBus/PMBus）。该处 理 器可 应用于电机驱动，应用控制，医疗手持设备，游戏，GPS 平 台等多种场合，所以，本设计采用 STM32F103C8T6 具有一定 的合理性。其最小系统电路图如图 2 所示。 2.3 电机驱动模块
处数据不能简单采集使用，还需要经过微处理器卡尔曼滤波