双轮自平衡小车结题..

双轮自平衡小车

科研训练总结报告

项目名称：

学生姓名：

学院：

指导教师：

****学自动化学院

*********8系

2014年12月27日

目录

一、研究的目的与意义 (2)

1.1.项目研究目的与意义 (2)

1.2.国内外发展历史及研究现状 (3)

二、系统设计与要求 (4)

2.1项目研究内容 (4)

2.2设计要求 (4)

2.3方案选取 (4)

2.3.1主控板模块 (4)

2.3.2电机驱动模块 (4)

2.3.3传感器模块 (5)

2.3.4 卡尔曼算法的初值计算方法及实际应用 (5)

2.3.5 双轮自平衡小车的PID控制 (5)

三、总体设计方案 (6)

四、系统硬件设计 (7)

4.1 STC12C5A60S2简介 (7)

4.2 MPU6050简介 (8)

4.3 LM298简介 (10)

4.4硬件平台的组合 (11)

五、系统软件设计 (12)

5.1软件设计流程 (12)

5.2软件程序如下 (12)

六、实验结果与分析 (22)

七、参与人心得 (23)

八、参考文献 (23)

一、研究的目的与意义

1.1.项目研究目的与意义

近年来，两轮自平衡小车的研究开始在美国、日本、瑞士等国得到迅速的发展。建立了多个实验原机型，提出来众多解决平衡控制的方案，并对原机型的自动平衡性能与运动特性进行了验证。通过对两轮自平衡系统的改造，可快速方便的应用到众多环境中去，如承载、运输，代步等。这其中蕴藏着巨大的商机，相应有些国外公司现在已经推出了商业化产品，并且已经投放到了市场。

两轮自平衡小车两轮共轴、独立驱动、车身重中心位于车轮轴上方，通过运动保持平衡，可以直立运动，因为特别的结构，它对于地形的变化有很强的适应能力，有着良好的运动性能，能够在比较复杂的环境里面的工作，和传统的轮式移动机器人相比较，两轮自平衡小车有着以下的几个优点：（1）能够实现在原地回转和任意半径的转向，有更加灵活易变的移动轨迹很好地弥补了传统多轮布局的缺点；（2）具有占地面积小的优点，能够在场地面积很小或者要求灵活运输的场合上使用；（3）车的结构上有很大的简化，可以把车做的更轻更小；（4）有着较小的驱动功率，能够让电池长时间供电，为环保型轻车提供了一种新的概念。（5)机器人的平衡是个动态过程；机器人在平衡点附近不停地变化进行调节以保持平衡；（6)重心的高度对小车运动和硬件设计的限制小。多轮(三轮或以上)移动小车虽然可以稳定地平衡，可是重心过高则小车启动或急停时，有倾倒的危险。因此重心必须要求很低，设计时总是拉大小车的水平截面积，降低高度。这样会造成小车体积变大，质量增加，某些功能会受到限制。两轮自平衡移动小车却无这方面的约束，重心的高低引起的不平衡已经通过动态平衡原理解决。因此重心的高低无严格限制，节省占地面积，可用在场地面积较小或要求灵活运输的场合；（7)驱动功率较小，为电池长时间供电提供了可能，为环保轻型车提供了一种新的思路。鉴于这些特点，两轮自平衡小车有着相当广泛的应用前景。

两轮自平衡小车是一个集动态决策和规划、环境感知、行为控制和执行等多种功能于一体的综合复杂系统，其关键是在解决自平衡的同时，还能够适应在各种环境下的控制任务。通过运用外速度传感器、角速度传感器等，可以实

现小车的平衡自主前进。

1.2.国内外发展历史及研究现状

两轮自平衡小车自问世以来，迅速成为研究各种控制理论的理想平台，具有重大的理论意义，这要归功于她不稳定的动态性能和系统所具有的非线性。

早在1 986年，日本电通大学教授山藤高桥最先提出了两轮自平衡机器人的概念，并制造了一个在导轨上的两轮倒立摆机器人。这个基本的概念就是用数字处理器来侦测平衡的改变，然后以平行的双轮来保持机器的平稳。这款被山藤高桥称为平行自行车的机器人开创了两轮自平衡机器人研究的先河。

美国Segway LLC公司开发的Segway HT两轮平台电动车把人们从传统的“三点平衡”和以低重心、大商稳的底盘设计来避免倾斜的束缚中解脱出来，通过检测车体的角度和角述度．用适当的回复转矩来避免倾刳摔倒。系统利用5个惯性比率传感器(陀螺仪)、2个倾角侍感器、电机编码器和一世光学脚垫传感嚣把系统的的状态提供给了控制器，控制器经过运算确定输入给电机的能量大小。

近十年来，两轮自平衡机器人引起同外许多研究机构和机器人爱好者极大关注，各种基于不同目的、不同设计方案和控制策略的自平衡系统相继而生。在这方面国外的研究比较超前，研制出了一些具有代表性的机器人，国内的研究基本上处于理论研究与实践的初期，只开发出了少数的实验原型机。

中国科学技术大学自动化系和力学系多位教授、博导、博士、硕士研究生和本科生联合研制完成的科研成果，又名自平衡电动代步车，是实用的两轮自动平衡车(机器人)，己能实用化，两轮自平衡机器几是将倒立摆原理移植到移动机器人上的概念。关于倒立摆的研究多年来国内外已经研究非常成熟，其文献也相当之多，然而更重要的是如何将倒立摆有效地应用在移动机器人上。

以上是国内外两轮自平衡小车的研究现状，这些小车都对本课题的研究提供了很好的指导作用。然而，这些机器人的有关资料中并没有对机器人速度控制的详细介绍。

二、系统设计与要求

2.1项目研究内容

1) 两轮自平衡小车物理实体的设计，各部分之间的硬件连接，搭建。

2) 小车角速度传感器、加速度传感器对自身信息的采集，并实现采集的信息对单片机进行传送。

3）单片机软件的设计，实现对小车的信息采集控制。

2.2设计要求

设计一款可以站立的双轮自平衡小车，一个集动态决策和规划、环境感知、行为控制和执行等多种功能于一体的综合复杂系统，其关键是在解决自平衡的同时，还能够适应在各种环境下的控制任务。通过运用加速度传感器、角速度传感器等，可以实现小车的平衡站立。

2.3方案选取

根据设计要求，确定如下方案：使用STC12C5A60S2单片机，MPU6050芯片为主要的控制通信器件，加装一些电源模块、电源驱动模块，实现对电动小车的平衡站立控制。由单片机根据所检测的各种信息实现对小车的智能控制。这种方案能实现对自动小车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠、精度高，可满足对系统的各项要求。

双轮自平衡小车系统主要包括以下模块：电源模块、单片机主控模块、电机驱动模块、传感器模块。

2.3.1主控板模块

针对本设计特点，多开关量输入程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A，A/D功能也不必选用。根据这些分析，我选定了STC12C5A60S2单片机作为控制器，51系列单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间大，对于本设计很适合，更可贵的是价格非常低廉。

2.3.2电机驱动模块

采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的H型桥式电路，用单片