两轮自平衡小车论文.

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一种新型两轮自平衡小车的建模和控制

一种新型两轮自平衡小车的建模和控制
Abstract ............................................................................................................. II 1 绪论 ............................................................................................................... 1 1.1 两轮自平衡小车研究的背景与意义 ..................................................... 1 1.2 两轮自平衡小车研究的国内外现状 ..................................................... 3 1.3 两轮自平衡小车的控制方法 ................................................................. 6 1.4 实验仿真环境 ......................................................................................... 7 1.5 本文研究的内容和结构 ......................................................................... 9 2 新型自平衡小车的动力学模型................................................................. 11 2.1 简介 ....................................................................................................... 11 2.2 自平衡小车二维动力学模型 ............................................................... 12 2.3 两轮自平衡小车三维动力学模型 ....................................................... 15 2.4 本章小结 ............................................................................................... 20 3 TERMINAL 滑模控制 .............................................................................. 22 3.1 滑模控制介绍 ....................................................................................... 22 3.2 TERMINAL 滑模控制.............................................................................. 23 3.3 本章小结 ............................................................................................... 27 4 两轮小车操作 ............................................................................................. 28 4.1 两轮小车的速度控制 ........................................................................... 28 4.2 两轮小车的最优刹车控制 ................................................................... 33 4.3 本章小结 ............................................................................................... 39

两轮自平衡小车毕业设计毕业论文

两轮自平衡小车毕业设计毕业论文

两轮自平衡小车毕业设计毕业论文目录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)3.4.1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 (33)4.3.1陀螺仪与加速度计输出值转换 (33)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 (37)4.5两轮自平衡车的运动控制 (38)4.6本章小结 (40)5. 系统调试 (41)5.1系统调试工具 (41)5.2系统硬件电路调试 (41)5.3姿态检测系统调试 (42)5.4控制系统PID参数整定 (45)5.5两轮自平衡小车动态调试 (45)5.6本章小结 (46)6. 总结与展望 (47)6.1 总结 (47)6.2 展望 (47)参考文献 (48)附录 (49)附录一系统电路原理图 (49)附录二系统核心源代码 (50)致谢 (54)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。

两轮自平衡小车的电动减速轮设计

两轮自平衡小车的电动减速轮设计

学号:24101901695南湖学院毕业论文(设计)题目:两轮自平衡小车的电动减速轮设计作者lxxxx 届别xxx 系别xxxx 专业xxx 指导老师xxxx 职称xxx 完成时间xxxxx摘要两轮自平衡机器人与两轮自平衡电动车都属于两轮自平衡系统的范畴。

两轮自平衡小车是一种可靠、便捷、环保的短途运输交通工具,它占地面积小,通过路面的能力强,并且非常灵活,适用于场馆、机场等地。

近年来国内外对两轮自平衡机器人的控制研究较多,但针对其机械结构的研究却较少,尤其是对两轮自平衡电动车的研究更是少之又少。

本文总结了国内外相关领域的研究成果,对两轮自平衡电动车的减速轮进行了机械设计,选择了各零部件合适的材料,绘制了减速轮的零件图和装配图,并对轴承进行了强度校核。

关键词:两轮自平衡;减速轮;机械设计;Pro/EAbstractBoth the two-wheeled self-balancing electric vehicle and the two-wheeled self-balancing robot belong to the two-wheeled self-balancing system .Since the two-wheeled self-balancing electric vehicle is a kind of reliable and convenient, environmental protection and short-distance transportation vehicles, it covers an area of small, it has the ability to through the pavement, and it is very flexible , and it is applicable to the venue, airport, etc. In recent years studies of the two- wheeled self-balancing robot are too numerous to mention,and most of them focus on the control but not the structure. After having summarized the research results of the field,this thesis designed the two- wheeled self-balancing electric vehicle gear wheel’s mechanical design, choose various spare parts suitable materials, draws the part drawing and the assembly drawing about the gear wheel, and the bearing force respectively.Key words: two- wheeled self-balancing;gear wheel;mechanical design;Pro/E目录第一章绪论 (1)1.1 本论文研究背景 (1)1.2 国内外研究现状 (1)1.2.1 国外研究现状 (1)1.2.2 国内研究现状 (5)1.3 两轮自平衡机器人的研究意义 (6)第二章两轮自平衡系统的平衡原理 (7)第三章两轮自平衡电动车结构的分析 (9)3.1 总体方案分析 (9)3.2 确定减速轮的设计方案 (11)3.2.1 一般自行车电动减速轮结构方案设计 (11)3.2.2 自平衡电动车减速轮整体结构设计 (12)第四章电动减速轮的设计 (15)4.1 Pro/E的介绍 (15)4.2 电机的选择 (15)4.3 轮轴的设计 (16)4.3.1 轴的概述 (16)4.3.2 轴的结构设计 (16)4.3.3 轴的具体装配设计 (17)4.4 减速器设计 (18)4.4.1 减速比的确认 (18)4.4.2 各齿轮参数的确认 (19)4.5 惰轮架设计 (21)4.6 车轮(轮壳)设计 (21)4.7 轴承的选择、定位 (23)4.7.1 轴承的介绍 (23)4.7.2 轴承的选择 (23)4.8 车轮装配体 (24)4.9 减速轮轴承的校核 (25)4.9.1 内侧轴承校核 (25)4.9.2 惰轮轴承寿命校核 (26)第五章全文总结 (30)参考文献 (31)致谢 (32)第一章绪论1.1 本论文研究背景自20 世纪 60 年代人类研制出第一台机器人以来,机器人技术就显示出了强大的新生力,在将近 50 年的时间里,机器人技术得到了飞速的发展[1]。

双轮平衡车的控制系统硬件设计方案小车机器人论文

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。

两轮自平衡小车控制系统的设计

两轮自平衡小车控制系统的设计

两轮自平衡小车控制系统的设计摘要:介绍了两轮自平衡小车控制系统的设计与实现,系统以飞思卡尔公司的16位微控制器MC9S12XS128MAL作为核心控制单元,利用加速度传感器MMA7361测量重力加速度的分量,即小车的实时倾角,以及利用陀螺仪ENC-03MB测量小车的实时角速度,并利用光电编码器采集小车的前进速度,实现了小车的平衡和速度控制。

在小车可以保持两轮自平衡前提下,采用摄像头CCD-TSL1401作为路径识别传感器,实时采集赛道信息,并通过左右轮差速控制转弯,使小车始终沿着赛道中线运行。

实验表明,该控制系统能较好地控制小车平衡快速地跟随跑道运行,具有一定的实用性。

关键词:控制;自平衡;实时性近年来,随着经济的不断发展和城市人口的日益增长,城市交通阻塞以及耗能、污染问题成为了一个困扰人们的心病。

新型交通工具的诞生显得尤为重要,两轮自平衡小车应运而生,其以行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。

但是,昂贵的成本还是令人望而止步,成为它暂时无法广泛推广的一个重要原因。

因此,开展对两轮自平衡车的深入研究,不仅对改善平衡车的性价比有着重要意义,同时也对提高我国在该领域的科研水平、扩展机器人的应用背景等具有重要的理论及现实意义。

全国大学生飞思卡尔智能车竞赛与时俱进,第七届电磁组小车首次采用了两轮小车,模拟两轮自平衡电动智能车的运行机理。

在此基础上,第八届光电组小车再次采用两轮小车作为控制系统的载体。

小车设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械及能源等多个学科的知识。

1 小车控制系统总体方案小车以16位单片机MC9S12XS128MAL作为中央控制单元,用陀螺仪和加速度传感器分别检测小车的加速度和倾斜角度[1],以线性CCD采集小车行走时的赛道信息,最终通过三者的数据融合,作为直流电机的输入量,从而驱动直流电机的差速运转,实现小车的自动循轨功能。

同时,为了更方便、及时地观察小车行走时数据的变化,并且对数据作出正确的处理,本系统调试时需要无线模块和上位机的配合。

浅论小型两轮自平衡电动车系统的设计与研究论文

浅论小型两轮自平衡电动车系统的设计与研究论文

浅论小型两轮自平衡电动车系统的设计与研究论文浅论小型两轮自平衡电动车系统的设计与研究论文小型两轮自平衡电动车控制方案,是使用姿态检测传感器来检测小车姿态的变化,运用合适的运动控制原理,驱动电机进行相应的调整,以保持小车平衡、但在实际设计中,加速度计检测出来的数据易受小车运动速度影响,陀螺仪检测出来的数据易受温度影响,因此需要采用滤波器对其进行滤波、通过对卡尔曼滤波器与互补滤波器这两种不同的滤波器进行比较,在基于飞思卡尔公司Kinetis K60的小型两轮自平衡电动车姿态稳定系统上加以验证,从而得出在实际设计中卡尔曼滤波器优于互补滤波器。

1控制系统分析与设计1.1系统分析小型两轮自平衡电动车系统主要由姿态传感器,CMOS摄像头传感器、矢量光电编码器,Kinetis K60单片机、直流减速电泪L及其驱动电路组成。

陀螺仪与加速度计的数据经过AD转换后传至控制器中,通过滤波器进行滤波后,获得较为精确的角速度和角加速度数据,从而计算得到角度偏差;摄像头采集道路信息,进行路径识别,使小车沿一定路径J决速运行光电编码器采集车轮速度,通过负反馈控制小车速度,三者数据融合后,再通过PID算法输出控制量,生成PWM从而控制电机运行。

1.2矢量编码器小车进行角度姿态控制时会产生两个自由度上的偏移,除用测量角度的加速度计和陀螺仪外,还需要增加测量两轮车位移的传感器,这里选用可以测量正负位移的欧姆龙500线矢量编码器(A日相光电编码器)。

2角度滤波算法分析从加速度计采集到的角度信息存在高频干扰,输出电压,矢量编码器控制电路会在实际反映倾角的电压值附近波动、要从陀螺仪获得角度信息,需要经过积分运算,而从单片机采集的角速度信息存在误差和温度偏移、这个误差会随时间延长而积累,最终导致输出信号偏离真实角度信号、因此,下面介绍两种滤波法,对两种传感器所获得信息进行校正。

2.1互补滤波器通过加速度计和陀螺仪积分获得的`两种与角度相关的信息,利用加速度计修正陀螺仪的积分输出,利用陀螺仪修正加速度计的高频干扰。

两轮自平衡小车毕业设计讲解

两轮自平衡小车毕业设计讲解

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。

两轮自平衡小车的设计与实现

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

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。

两轮自平衡小车研究毕业设计论文 精品

两轮自平衡小车研究毕业设计论文 精品

本科毕业设计题目两轮自平衡小车研究学院电子信息工程学院专业自动化学生姓名刘长根学号 200910311332 年级 2009级指导教师罗浚溢职称博士年月日两轮自平衡小车研究专业:自动化学号:200910311332学生:刘长根指导教师:罗浚溢摘要:现在两轮自平衡小车的研究在全世界得到很大的关注。

本论文主要工作是对两轮自平衡小车的原理进行研究并且和提出一种设计方案。

本次设计方案是采用ENC-03MB陀螺仪传感器和MMA7361LC 三轴加速度倾角传感器构成小车的状态检测装置,使用算法使陀螺仪数据和加速度计数据的融合得到小车的倾角,再通过一定的算法使小车保持直立状态。

系统采用飞思卡尔公司的DSC 16位处理器XS128单片机为核心控制处理器,完成传感器信号的处理,滤波算法的实现和车身控制等一些任务。

在小车制作完成后,各个模块之间能够正常并且协调的工作,小车可以只无人干预的条件下实现自主平衡,运用手机蓝牙可以控制小车的前进、后退、左右转动等各个动作。

关键词:两轮自平衡小车;陀螺仪;加速度倾角传感器;XS128单片机Research of The Two-wheel Self-balance Car Specialty:Automation Student Number:200910311332Student:Liu Changgen Supervisor:Luo JunyiAbstract:Now ,the research of two-wheel self-balance car get great attention all over the world.The main job of this paper is to study the principle of the two-wheel self-balance car and put forward a design scheme.This design used ENC-03MB gyroscope sensor and MMA7361LC triaxial acceleration and angle sensor constitute the car status detection ing algorithms made fusion of gyroscope data and accelerometer data to get the tilt angle of the car.Then ,through a certain algorithm to make the car keep upright.The system adopted freescale company DSC 16-bit processor XS128 single-chip microcomputer as the control core,it realized the sensor signal processing the sensor signal processing,filtering algorithm and body control and so on.After the car production is completed,each module can be normal and to coordinate work,the car can keep balancing in unmanned ing mobile phone Bluetooth can control the car forward,backward,turn right or left,and other actions.Key words:Two-wheel Self-balance Car ;Gyroscope;Angle Acceleration Sensor;XS128 Single Chip Microcomputer目录第1章绪论 (1)1.1 背景 (1)1.2 选题的目的和意义 (1)1.3两轮自平衡小车的国内外研究现状 (2)1.3.1 两轮自平衡小车在国外的研究现状 (2)1.3.2 两轮自平衡小车在国内的研究现状 (4)1.4 主要的研究内容 (5)第2章两轮自平衡小车的原理 (6)2.1 两轮自平衡小车直立运动分析 (6)2.2 小车的平衡控制 (6)2.3 小车的角度和角速度测量 (8)2.3.1 加速度传感器 (8)2.3.2 陀螺仪 (8)2.4 小车的速度控制 (9)第3章两轮自平衡小车的电路和程序设计 (10)3.1 两轮自平衡小车电路设计 (10)3.1.1 小车的整体电路框图 (10)3.1.2 单片机最小系统 (11)3.1.3 陀螺仪和加速度计传感器电路 (11)3.1.4 电机驱动电路 (12)3.1.5 电源模块电路 (13)3.2 两轮自平衡小车程序设计 (13)3.2.1 程序的功能和流程框架 (13)3.2.2 各个模块的程序 (15)第4章两轮自平衡小车的制作和调试 (33)4.1 小车的承载部分制作 (33)4.2 小车传感器的安装 (33)4.3 小车的调试 (34)4.3.1 小车调试条件 (34)4.3.2 小车调试 (34)4.3.3 参数调试 (35)第5章结论 (36)附录 (37)附录1 电路原理图 (37)附录2电路PCB图 (37)附录3 小车直立图片 (38)参考文献 (39)致谢 (40)第1章绪论1.1 背景近年来,随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛,所面临的环境和任务也越来越复杂。

智能车两轮自平衡小车系统毕业论文

智能车两轮自平衡小车系统毕业论文

摘要近年来,两轮自平衡机器人的研究取得了快速的发展,两轮自平衡小车的动力学系统是一种多变量、非线性、强耦合的系统,是检验各种控制方法的典型装置。

同时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点,必将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。

本文主要介绍了基于Freescale MC9S12XS128单片机为控制核心的两轮自平衡小车系统,以验证经典的PID控制在动态平衡系统上的控制效果。

在该系统上,姿态传感器采用MPU6050,单片机在采集到姿态数据后,采用Kalman滤波器对得到的数据进行融合,并在此基础上分析不同滤波方法的效果。

借助增量式PID控制PWM的输出和利用TB6612FNG控制电机的转向以及转速,从而实现了小车的自平衡控制。

关键词:两轮自平衡系统; Kalman滤波;数据融合; HCS12; MPU6050 .Design and implementation of two-wheeled self-balancing vehicleAbstractIn recently years, the research of two-wheeled self-balancing robot has made a rapid development, the dynamics system of two-wheeled self-balancing vehicle is a multivariable, nonlinear, strong coupling system, and also ,it’s a typical devices to test a variety of control methods. Because of it has a small, flexible movement and zero turning radius. It will have a wide range of applications in military and civilian fields.In the article, it describes the Freescale MC9S12XS128 microcontroller-based control of two-wheeled self-balancing vehicle system to verify the classic PID control system in the dynamic balance . On this system, It used MPU6050 as the car state sensing system, and it used the Kalman filter to fuse the obtained angle data, and analyzed the effect of different filtering methods based on this. With incremental PID control PWM output and use TB6612FNG steering and speed control motors, enabling the car's self-balance control finally.Keywords: two-wheeled self-balancing system; the Kalman filter;HCS12;MPU6050目录摘要 (1)第1章绪论 (4)1.1 两轮自平衡机器人概述 (4)1.2 两轮自平衡机器人的发展 (4)1.3 方案论证及选择 (5)1.4 关键技术及目标 (6)1.4.1 姿态数据处理 (6)1.4.2 控制算法的实现 (7)1.4.3 目标 (7)第2章两轮自平衡小车的原理 (8)2.1 小车的直立控制 (8)2.2 倾角与角速度的测量 (12)2.3 本章小结 (12)第3章电路设计 (13)3.1 整体电路框图 (13)3.2 电源电路 (14)3.3 单片机最小系统 (15)3.3.1 S12单片机简介 (15)3.3.2 MC9S12XS128最小系统电路 (15)3.4 MPU6050 (16)3.4.1 MPU6050简介 (16)3.4.2 I2C通信 (17)3.5 电机驱动电路 (17)3.5.1 驱动芯片介绍 (17)3.5.2 驱动电路设计 (18)3.6 速度传感器电路 (19)3.6.1 光电编码器介绍 (19)3.7 无线遥控电路 (19)3.7.1 Pt2262简介 (19)3.7.2 Pt2262应用 (20)3.8 液晶显示电路 (21)3.8.1 LCD1602简介 (21)3.8.2 LCD1602电路 (21)3.9 车模控制电路全图 (22)3.10 本章小结 (24)第4章系统软件设计 (25)4.1 控制算法介绍 (25)4.2 S12单片机初始化 (26)4.2.1 锁相环初始化 (26)4.2.2 PWM模块初始化 (26)4.2.3 串行通信初始化 (26)4.2.4 外部中断初始化 (27)4.3 PID控制的实现 (27)4.4 姿态数据处理 (27)4.4.1 角度计算函数 (27)4.4.2 滤波方法分析与选择 (27)4.5 小车的运动控制 (31)4.6 无线遥控 (31)4.7 本章小结 (31)第5章系统调试 (33)5.1 软件调试工具 (33)5.2 系统调试工具 (33)5.3 系统硬件电路调试 (33)5.4 姿态检测模块调试 (33)5.5 Kalman滤波器参数的整定 (35)5.6 PID参数的整定 (35)5.7 本章小结 (36)第6章总结 (37)6.1 总结与展望 (37)参考文献 (39)附录 (41)附录一系统主控板 (41)附录二系统核心源码 (42)致谢 (45)第1章绪论两轮自平衡系统最早可追溯到上世纪80年代,日本电气通信大学的山藤一雄教授提出的基于倒立摆原理的自动站立机器人的模型被认为是两轮自平衡小车的构思起源。

两轮自平衡电动车论文:两轮电动车自平衡控制算法的研究

两轮自平衡电动车论文:两轮电动车自平衡控制算法的研究

两轮自平衡电动车论文:两轮电动车自平衡控制算法的研究【中文摘要】两轮自平衡电动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。

该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。

其体积小、结构简单、运动灵活,适于在狭小和危险的空间内工作,在民用和军事上有着广泛的应用前景。

本课题旨在研制一种两轮电动车自平衡控制系统,其工作原理是系统以姿态传感器(陀螺仪、加速度计)来监测车身所处的俯仰状态和状态变化率,通过高速微控制器计算出适当数据和指令后,驱动电动机产生前进或后退的加速度来达到车体前后平衡的效果。

本文在总结和归纳国内外两轮自平衡小车的研究现状后,选用AtmeDgal16微控制器、德国冯哈勃Faulhaber带编码器空心杯减速电机2342L012、MMA226D加速度计传感器和EWTS82陀螺仪、驱动车轮、设计制作主板和电机驱动板,组装两轮自平衡电动车模型;通过C语言编写自平衡控制程序,烧录程序,实车验证所选用的控制算法可行性。

在研究过程中,本文首先通过建立动力学模型,运用拉格朗日方程来验证系统中三个自由度可否能控,并且求出控制算法中的四个K值,基于陀螺仪存在漂移的问题及加速度计的动态响应慢,对于系统的姿态检测而言,单独使用陀螺仪或者加速度计,都不能提供有效和可靠的信息来反映车体的实时状态。

本文对传感器两者所采集的数据进行了卡尔曼滤波优化处理,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。

基于在过程控制中,PID控制器一直是应用最为广泛的一种自动控制器,PID控制也一直是众多控制方法中应用最为普遍的控制算法,它解决了自动控制理论所要解决的最基本问题,既系统的稳定性、快速性和准确性,调节PID的参数,可实现在系统稳定的前提下,兼顾系统的带载能力和抗扰能力,同时在PID调节器中引入积分项,系统增加了一个零积点,使之成为一阶或一阶以上的系统,这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。

两轮自平衡车平衡控制系统的研究

两轮自平衡车平衡控制系统的研究
两轮自平衡车平衡控制系统的研究
自从在2008年北京奥运会上的精彩亮相,两轮自平衡车在中国市场已经逐渐为大众所接受。节能环保、便携新颖,两轮自平衡车以其独特的优势博取人们的青睐。又两轮自平衡小车以其一级倒立摆结构成为控制算法验证实现的独特平台。因此,两轮自平衡小车有较高的研究价值。本设计的重点是抓住两轮自平衡车的基础即平衡控制进行系统设计,结合姿态解算数据融合算法驱动直流电机以实现两轮小车的平衡控制。
两轮自平衡车以其体积小、灵活度高等优势,进入市场便得到大众的青睐,众多公司中又以Segway公司的产品更为大众所认可。双轮自平衡车以其众多优势在面向以观光游览、休闲散心、购物代步为主的短途旅行成为得力的代步工具。
1.1.2
同时,两轮自平衡小车作为一种新式交通工具,以电力为能源,清洁无污染,便携体积小,对于减小工作日里的交通拥堵,减轻环境污染程度,起到建设性的作用。
由控制理论可知三个分解后的子系统的控制对象相同,因此他们之间存在系统耦合。为便于分析,在分析一个子系统时,假设另外两个控制对象已经达到稳定状态。譬如,在平衡控制时,假设速度和方向控制实现平稳;同样,在速度控制时,假设已经可以保持平衡状态。
在三个子系统中以平衡控制系统最为关键。但从车体平衡控制的角度来看,另外两个控制成为它的干扰。因而自平衡小车的方向和速度的控制应尽可能的保持平滑,以减少对平衡控制系统的干扰。以小车的速度控制为例,需要通过改变车体倾角的设定值来改变车体的实际倾角,达到速度控制的要求。同时,为了不对车体的平衡控制造成干扰,车体倾角的变化应该非常缓慢的进行。三者之间的配合如图2-1所示。
①两轮自平衡车作为代步工具,以其便携、灵活的特点为优势,可以在人员流动量大且占地面积大的公园、商场、展览馆、游乐场等作为首选代步工具。因此具有广阔的市场前景及应用价值。

两轮自平衡小车角度检测软件设计毕业论文

两轮自平衡小车角度检测软件设计毕业论文

两轮自平衡小车角度检测软件设计毕业论文目录摘要................................................................................................... 错误!未定义书签。

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1 概述 (1)1.1 两轮自平衡小车的研究意义 (1)1.2两轮自平衡小车的发展历程和国内外研究现状 (2)1.2.1 国外研究现状 (2)1.2.2国内研究成果 (3)1.2.3国内外研究分析总结 (4)1.3 本人所做工作 (4)2两轮自平衡小车整体设计 (6)2.1机械系统的设计 (6)2.2 控制系统的设计 (8)2.2.1主控制器模块 (9)2.2.2角度检测模块 (10)3 两轮自平衡小车常见数学模型及控制算法 (11)3.1动力学模型及其参数说明 (11)3.2控制算法的设计 (12)3.2.1平衡控制 (12)3.2.2 直行和转弯控制 (13)3.2.3小车运动的精确控制 (14)4 两轮自平衡小车角度检测的软件设计 (16)4.1 系统模块结构框图 (16)4.2主程序模块 (16)4.3 I2C总线模块 (19)4.3.1 I2C总线的概念 (19)4.3.2 I2C总线的起始和停止条件 (20)4.3.3 数据传输格式 (21)4.3.4 响应 (21)4.4 加速度传感器模块 (22)4.4.1 ADXL345概念 (22)4.4.2 ADXL345的I2C连接 (23)4.4.3 ADXL345的功耗模式 (25)4.4.4 ADXL345的初始化 (26)4.4.5 连续读出ADXL345内部加速度数据 (32)4.5 液晶显示模块 (35)4.5.1 管脚功能 (35)4.5.2 LCD1602控制指令 (36)4.5.3 LCD1602内部显示地址 (37)4.5.4各轴速度的显示 (38)4.5.5 倾角的显示 (41)5 结论 (43)参考文献 (45)附录 (46)文献综述 (58)1 概述机器人技术是一种面向未来的尖端技术,也是一项涉及通信技术、微电子技术、人工智能技术、材料科学、计算机技术、控制技术、传感器技术、通讯技术、数学方法和仿生学的多学科的综合高新技术。

两轮自平衡小车文档

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四、演示算法:极点配置控制方法
Figure. 8
自平衡小车系统极点配置算法的 Simulink 框图
Figure. 9 小车的位移曲线
Figure. 10 小车系统的纵摇角曲线
一、两轮自平衡小车系统的特点
双轮自平衡小车是一种本质上不稳定的轮式机器人, 又称为两轮自平衡机器人。 两轮自 平衡小车模型与倒立摆模型很相似, 倒立摆的原理即为当摆倒向左边的时候, 角度编码器测 得摆杆不是竖直的而是有一定的角度, 把所得的角度反映给控制器, 为了维持摆与小车的相 对位置不变, 即摆的平衡状态, 这时根据现有摆杆角度而计算得到的控制力使小车同时向左 运动,这样就保持了系统的平衡。两轮自平衡机器人与倒立摆相似,也需要驱动电机来完成 两轮自平衡机器人是一类本 质上不稳定的移动机器人,其不稳定性、多耦合性、非线性、参数不确定性等特性,是验证 各种控制算法能力的优良装置。由于其自身体积轻巧,控制电压低,移动性能好,因此我们 可以在两轮自平衡机器人上验证我们所研究的控制算法。
系统二:左右转弯系统。
1 0 0 23.7097 0 0 0 83.7742
0 x 0 0 x 1.8332 C 1 0 0 4.9798
0 1 0 C 0 0 5.1915
Tilted
Figure. 1
Balanced
二、自平衡小车系统的结构和工作原理
Figure. 2
Figure. 3
Figure. 4
Figure. 5 两轮自平衡小车由以下几部分在组成: 带有每个轮子耦合到行星齿轮箱直流电动机的底 座,DSP 板用来实现控制,电动机的电力放大器,测量小车状态必要的传感器,无线电控 制单元接收器和垂直棒。电池固定在机器人内部,它们的重量可以模拟一个驾驶员。小车的 轮子直接连接在齿轮箱的输出轴上。控制软件使用在 Windows98/2000 上运行的 Matlab。使 用 Simulink 作为一个交互式的工具,用来建模,仿真和分析倒立摆系统。它能让你建立图 表,评估系统性能,改善你的设计。Matlab 仿真表明,控制一个两个轮子上各有一个发动 机的系统是确实可行的。为了成功地控制系统,要量化状态空间变量;或者直接测量,或者 通过适当的观测器。 直线位置和速度, 首摇角和速率可以很容易的由两个直流电动机上安装 的增量编码器决定(假定纵摇角和速率已知) 。纵摇速率由速率陀螺仪测量。控制系统是基 于两个不耦合的状态空间控制器:一个控制横轴周围的稳定性(纵摇) ,另一个控制纵轴上 的动态性(首摇) 。每个控制器输出一个转矩应用于它相关的轴线,一个去耦单元把这两个 信号转化为一个转矩分别应用于左边或者右边的发动机。 操作者通过无线电控制单元微系统 导航,对板上控制系统输送希望得到的直线速率和旋转速率。

两轮自平衡小车论文

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》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。

两轮自平衡小车的控制技术研究

两轮自平衡小车的控制技术研究
n圮simulations show that the LQR control method iS fairly better thanvehicle system has comparatively great quiver under the variable structure controller,but still possesses strong robustness.Lalge-range control and certain robustness gas be achieved under the optimal controller.
wheels.As the traditional inverted pendulum,the vehicle system relies on a control
algorithm employing orientation and rate of state-changing detected by the obliquity
Keywords-Two-wheal Self-balanced Vehicle variable structure control
Balance control Optimal ControH
目录
第一章绪论………………………………………………………………………………1 1.1两轮自平衡小车研究的意义………………………………………………….1 1.2两轮自平衡小车的研究现状…………………………………………………2 1.2.1国外研究现状…………………………………………………………….2 1.2.‘2国内研究现状:…:……二.-.…………………:………。:..:...………………。4 1.2.3国内外研究分析总结……………………………………………………5 1.3论文的主要工作和论文结构…………………………………………………。5
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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。

1.1 姿态检测模块的论证与选择方案一:ENC-03。

一种普通陀螺仪。

方案二: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。

综合以上两种种方案,选择方案二。

1.2 电机驱动模块的论证与选择方案一:TB6612FNG。

体积小,但容易坏。

方案二:L298N。

具有信号指示,转数可调,抗干扰能力强,具有过电压和过电流保护,可单独控制两台直流电机,可单独控制一台步进电机。

综合以上三种方案,选择方案二。

2 系统硬件设计本文设计的两轮自平衡小车采用姿态传感器(MPU6050)监测车身所处的俯仰状态和状态变化率,通过高速微控制器STM32F103RB 完成数据融合处理,得到平滑而稳定车体姿态信息,然后驱动电动机产生前进或后退的加速度来控制车体保持平衡,红外线检测障碍物,蓝牙控制前进后退。

结构框图如图。

图 1 系统设计总体结构框图系统硬件主要由STM32F103RB单片机系统、电源模块、姿态检测模块、串口通讯模块、电机驱动模块等组成。

2.1 STM32F103RB 单片机系统本设计中控制平台采用ST 意法半导体的STM32F103RB微控制器,STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM CORTEX-M3内核,其最高主频72MHz,在满足平衡控制的调节频率的同时有更多的CPU 资源,工作电压为5 V。

其丰富的内置模块资源可以为姿态检测系统提供12位精度的A/D 转换,同时使用定时器可以产生PWM输出控制电机转速和转向。

2.1.1 STM32F103RB 单片机介绍STM32F103xB增强型系列使用高性能的ARM® Cortex™-M3 32位的RISC内核,工作频率为72MHz,内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM),丰富的增强I/O 端口和联接到两条APB总线的外设。

所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器,还包含标准和先进的通信接口:多达2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。

STM32F103xx中等容量增强型系列产品供电电压为2.0V至3.6V,包含-40°C至+85°C温度范围和-40°C至+105°C的扩展温度范围。

一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。

STM32F103xx中等容量增强型系列产品提供包括从36脚至100脚的6种不同封装形式;根据不同的封装形式,器件中的外设配置不尽相同。

下面给出了该系列产品中所有外设的基本介绍。

这些丰富的外设配置,使得STM32F103xx产品容量增强型系列微控制器适合于多种应用场合:●电机驱动和应用控制●医疗和手持设备● PC游戏外设和GPS平台●工业应用:可编程控制器(PLC)、变频器、打印机和扫描仪2.1.2单片机最小系统设计本设计采用STM32F103RB单片机为控制器,最小系统原理图如图3-3所示,主要包括单片机供电、复位电路、时钟电路以及BDM接口电路。

系统时钟的选择是在启动时进行,复位时内部8MHz的RC振荡器被选为默认的CPU时钟,随后可以选择外部的、具失效监控的4~16MHz时钟;当检测到外部时钟失效时,它将被隔离,系统将自动地切换到内部的RC振荡器,如果使能了中断,软件可以接收到相应的中断。

同样,在需要时可以采取对PLL时钟完全的中断管理(如当一个间接使用的外部振荡器失效时)。

多个预分频器用于配置AHB的频率、高速APB(APB2)和低速APB(APB1)区域。

AHB和高速APB的最高频率是72MHz,低速APB的最高频率为36MHz。

图3-3 单片机最小系统及时钟电路原理图单片机的外部复位电路可以使用按钮和电容构成,也可以使用专门的复位芯片。

考虑到产品经济型,本设计中采用了由电阻电容构成的简易复位电路,如图3-5所示。

加电后,由于电容的充电时间,RESET保持低电平,单片机复位;一段时间后,电容电量充满,RESET端输出高电平,此时单片机运行。

手动复位时,按下手动复位按钮,RESET端保持低电平,单片机复位;释放手动复位按钮后,RESET端输出高电平,单片机工作。

图3-5 复位及按键接口电路2.1.3 电源管理模块设计可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。

电源模块由若干相互独立的稳压电路模块组成。

这样做可以减少各模块之间的相互干扰。

整个系统需要3种电源:● VDD = 2.0~3.6V:VDD引脚为I/O引脚和内部调压器供电。

● VSSA,VDDA = 2.0~3.6V:为ADC、复位模块、RC振荡器和PLL的模拟部分提供供电。

使用ADC时,VDDA不得小于2.4V。

VDDA和VSSA必须分别连接到VDD和VSS。

● VBAT = 1.8~3.6V:当关闭VDD时,(通过内部电源切换器)为RTC、外部32kHz振荡器和后备寄存器供电。

图3-6 电源模块电路图2.2 姿态检测模块MPU-6050姿态检测模块能够精确并稳定地检测出当前的车身姿态,这是本设计两轮自平衡小车实现有效控制的关键。

本设计选用MEMS传感MPU6050作为姿态检测传感器。

MPU-6050实物连接图2.2.1 MPU-6050简介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。

为了精确跟踪快速和慢速的运动,传感器的测量范围都是用户可控的,陀螺仪可测范围为±250,±500,±1000,±2000°/秒(dps),加速度计可一个片上1024 字节的FIFO,有助于降低系统功耗。

和所有设备寄存器之间的通信采用400kHz 的I2C 接口或1MHz 的SPI 接口(SPI 仅MPU-6000 可用)。

对于需要高速传输的应用,对寄存器的读取和中断可用20MHz 的SPI。

另外,片上还内嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有±1%变动的振荡器。

芯片尺寸4×4×0.9mm,采用QFN 封装(无引线方形封装),可承受最大10000g 的冲击,并有可编程的低通滤波器。

关于电源,MPU-60X0 可支持VDD 范围2.5V±5%,3.0V±5%,或3.3V±5%。

另外MPU-6050 还有一个VLOGIC 引脚,用来为I2C 输出提供逻辑电平。

VLOGIC 电压可取1.8±5%或者VDD。

MPU6050电路图2.2.3数字运动处理器(DMP)DMP就是指MPU6050内部集成的处理单元,可以直接运算出四元数和姿态,而不再需要另外进行数学运算。

DMP的使用大大简化了四轴的代码设计。

DMP是数字运动处理器的缩写,顾名思义mpu6050并不单单是一款传感器,其内部还包含了可以独立完成姿态解算算法的处理单元。

如在设计中使用DMP来实现传感器融合算法优势很明显。

首先invensense 官方提供的姿态解算算法应该比像楼主这样的小白要可靠的多。

其次,由DMP实现姿态解算算法将单片机从算法处理的压力中解放出来,单片机所要做的是等待DMP解算完成后产生的外部中断,在外部中断里去读取姿态解算的结果。

这样单片机有大量的时间来处理诸如电机调速等其他任务,提高了系统的实时性。

DMP从陀螺仪、加速度计以及外接的传感器接收并处理数据,处理结果可以从DMP寄存器读出,或通过FIFO 缓冲。

DMP有权使用MPU的一个外部引脚产生中断。

2.3速度检测模块设计两轮自平衡小车的原理是利用地面对车轮的摩擦力抵消车受到的重力,在本系统的控制环节中有两路闭环控制,即倾角闭环控制以及速度闭环控制。

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