双轮自平衡小车机器人系统设计及制作

燕山大学

课程设计说明书

题目:双轮自平衡小车机器人系统设计及制作

学院(系)：机械工程学院

年级专业:12级机械电子工程

组号:3

学生姓名:

指导教师:史艳国姚建涛李艳文史小华张庆玲

唐艳华李富娟刘晓飞刘正操胡浩波日期： 2015.11

燕山大学课程设计(论文)任务书

院（系）:机械工程学院基层教学单位:机械电子工程系

摘要

两轮自平衡小车是一种非线性、多变量、强耦合、参数不确定的复杂系统，他体积小、结构简单、运动灵活，适合在狭小空间内工作,是检验各种控制方法的一个理想装置,受到广大研究人员的重视,成为具有挑战性的课题之一。

两轮自平衡小车系统是一种两轮左右并行布置的系统。像传统的倒立一样,其工作原理是依靠倾角传感器所检测的位姿和状态变化率结合控制算法来维持自身平衡。本设计通过对倒立摆进行动力学建模，类比得到小车平衡的条件。从加速度计和陀螺仪传感器得出的角度。运用卡尔曼滤波优化，补偿陀螺仪的漂移误差和加速度计的动态误差,得到更优的倾角近似值。通过光电编码器分别得到车子的线速度和转向角速度，对速度进行控制。根据控制调节参数,实现两轮直立行走。通过调节左右两轮的差速实现小车的转向。

制作完成后，小车实现了在无线蓝牙通讯下前进、后退、和左右转向的基本动作。此外小车能在正常条件下达到自主平衡状态。并且在适量干扰下,小车能够自主调整并迅速恢复稳定状态。

关键词：自平衡陀螺仪控制调试

ﻬ前言

移动机器人是机器人学的一个重要分支，对于移动机器人的研究，包括轮式、腿式、履带式以及水下式机器人等,可以追溯到2０世纪60年代。移动机器人得到快速发展有两方面原因:一是其应用范围越来越广泛；二是相关领域如计算、传感、控制及执行等技术的快速发展。移动机器人尚有不少技术问题有

待解决,因此近几年对移动机器人的研究相当活跃。

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。机器人经常会遇到一些比较狭窄，而且有很多大转角的工作场合,如何在这样比较复杂的环境中灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。双轮自平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的。两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器人,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，将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。因为它既有理论研究意义又有实用价值,所以两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。

本论文主要叙述了基于32控制的两轮自平衡小车的设计及实现的整个过程。主要内容为两轮自平衡小车的平衡原理,直立控制,速度控制,转向控制及系统定位算法的设计。通过此设计使小车具备一定的自平衡能力、负载承载能力、速度调节能力和无线通讯功能。小车能够自动检测自身机械系统的倾角并完成姿态的调整,并在加载一定重量的重物时能够快速做出调整并保证自身系统的自我平衡。能够以不同运动速度实现双轮车系统的前进、后退、左转及右转等动作，同时也能够实现双轮自平衡车系统的无线远程控制操作

目录

摘要ﻩI

前言.................................................... 第1章项目任务ﻩ1

1.1 项目概述 (1)

1.2 项目内容ﻩ2

1.3 预期结果 (2)

第2章方案设计ﻩ２

2.1 芯片的选择 (2)

2.2 电机驱动的选择 (2)

2.3 陀螺仪的选择 (3)

第3章平衡车控制原理 (4)

3.1 控制系统要求分析 (4)

３.2 平衡控制原理 (5)

3.３平衡车数学模型 (5)

3．4 控制原理ﻩ9

3.５调速原理ﻩ

10

第4章硬件设计................................... 1１

4.1 电路原理图 (11)

4.2 芯片的电路设计ﻩ１1

4.3 电机驱动的电路设计ﻩ１2

13

4.４陀螺仪的电路设计ﻩ

14

4.5 编码器的电路设计ﻩ

第5章平衡车结构设计ﻩ1５

５．１元件清单及成本ﻩ１5

5.2 三维建模ﻩ

16

第６章软件设计 (18)

６．1 程序框图.................................. 1８

6.２源代码 (18)

第7章实验测试 (19)

7.１软件简介 (19)

７.2 测试过程及结果 (19)

7.3 最终实物图.................................. ２0

21

第8章市场前景调查分析ﻩ

结论ﻩ２2

心得体会 (23)

24

参考文献ﻩ

致谢ﻩ2５

附录1 (26)

第1章项目任务

1.1项目概述

移动机器人是机器人学的一个重要分支，对于移动机器人的研究，包括轮式、腿式、履带式以及水下式机器人等，可以追溯到20世纪60年代。移动机器人得到快速发展有两方面原因:一是其应用范围越来越广泛；二是相关领域如计算、传感、控制及执行等技术的快速发展。移动机器人尚有不少技术问题有待解决,因此近几年对移动机器人的研究相当活跃。

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。机器人经常会遇到一些比较狭窄，而且有很多大转角的工作场合，如何在这样比较复杂的环境中灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。双轮自平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的。两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器人，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，将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。因为它既有理论研究意义又有实用价值，所以两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。

本文是对本质不稳定两轮小车自平衡控制问题的研究。并通过无线蓝牙远程控制小车前进、后退、和左右转向等基本动作。

1.2项目内容

（１)设计两轮自平衡小车驱动电路。选择合适的电机、传感器和微控制单元并合理设计相应的外围电路,最终完成两轮自平衡小车系统的硬件设计。

（2)完成驱动板的调试。通过对驱动触发脉冲、输出以及电机空载进行实验,从功能上验证了其驱动板基本能够满足系统的要求。