两轮直立车控制系统设计
双轮直立智能车设计
双轮直立智能车设计
●系统组成：
1.硬件电路设计：电源、嵌入式微控制器、传感器、电机和控制电路、数据通信的综合系
统
2.机械结构设计：由双轮直立智能车构成的工作平台、承载硬件电路、
3.平衡控制模块：要求自平衡、数据采集、手动控制装置、
4.软件设计和调试控制
●系统功能：
1.硬件设计：减少不必要的调试麻烦
2.平衡信号监测处理：快速检测倾斜信号，保证平衡和倾斜后的调节能力
3.单片机：分析处理检测到的信号，通过相应的c语言实现
●电路图
驱动电路：
电源模块电路：
陀螺仪电路：
速度传感器电路：
CAN总线原理图：
串口与458接口原理图：
USB转串口原理图：
人机互接口电路：
软件设计：
小车平衡依靠软件设计，软件设计主要包括以下几点：
1.建立软件工程，分配个模块功能并考虑实时调试
2.编写单片机软件程序框架，建立软件编译、下载、调试的环境
3.实施并调试各个子模块的功能的正确性
4.进行车模整体运行性能测试与提高。
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。
基于两轮自平衡小车的测控系统课程设计教学改革
基于两轮自平衡小车的测控系统课程设计教学改革1. 引言1.1 研究背景两轮自平衡小车是一种具有自主平衡能力的智能移动机器人，具有在不借助外部支撑的情况下保持平衡的能力。
随着人工智能和机器人技术的不断发展，两轮自平衡小车在教育领域中的应用日益广泛。
传统的测控系统课程设计通常注重理论知识的传授，缺乏实际操作和动手能力的培养，因此需要进行教学改革，以适应现代教育的发展需求。
在当前高等教育中，教学模式的转变是必然的趋势，传统的课堂讲授已不能满足学生的学习需求，因此需要将课程设计与实践相结合，培养学生的实际动手能力和创新思维。
基于两轮自平衡小车的测控系统课程设计教学改革正是针对这一需求而展开的重要举措。
通过引入实际操作环节，学生可以在课堂上亲自动手操控两轮自平衡小车，深入理解测控系统的原理和应用，提高他们的实际操作能力和问题解决能力。
这一教学改革将有助于激发学生的学习兴趣，培养他们的创新精神和团队合作意识，促进他们在未来的工程实践中发挥更大的作用。
1.2 问题陈述在传统的测控系统课程设计教学中，学生往往面临着难以真正理解理论知识、缺乏实践能力、缺乏创新思维等问题。
尤其是对于基于两轮自平衡小车的测控系统课程设计，学生需要掌握的知识和技能更加复杂和抽象，传统的教学方法已经不能完全满足学生的需求。
问题陈述部分主要关注的是如何有效解决传统测控系统课程设计教学中存在的种种问题。
具体来说，包括如何提高学生对测控系统理论知识的理解和应用能力，如何培养学生的实践操作技能和创新思维，如何激发学生学习的兴趣和潜能等方面的问题。
通过解决这些问题，可以提高学生的学习效果和实践能力，为他们未来的科研和工作奠定坚实的基础。
本课程设计的教学改革旨在通过创新教学内容和方法，优化实践教学环节设计，改进实验室建设，进行课程效果评估等措施，有效解决传统测控系统课程设计教学中存在的问题，提高学生的学习效果和实践能力，为培养具有创新精神和实践能力的测控领域专业人才做出积极贡献。
两轮直立代步车控制器设计实施方案
计算机控制技术课程设计成绩评定表设计课题两轮直立代步车控制器设计学院名称：电气工程学院专业班级：学生姓名：学号：指导教师：设计地点：设计时间：计算机控制技术课程设计课程设计名称：两轮直立代步车控制器设计专业班级：自动化1004学生姓名：学号：指导教师：课程设计地点：31-503课程设计时间：2011-06-11～2011-06-15计算机控制技术课程设计任务书目录1 引言22 总体方案设计32.1硬件组成32.2整体电路框图32.3直立任务分解32.4平衡控制42.5角度和角速度测量42.4速度控制62.5方向控制83 硬件电路设计83.1 单片机及其外围电路83.2控制电路划分为如下子模块：94 系统软件设计124.1 主程序设计124.2控制相关地软件函数：134.3中断服务程序145总结14参考文献14附录A 电路图151 引言两轮自平衡电动代步车是一种两轮左右并行布置结构地具有自平衡系统地电动车.利用倒立摆控制原理，使车体始终保持平衡.在车体内嵌入式CPU地控制下，采集平衡传感器以及速度、加速度传感器地数据，通过建立地系统数学模型和控制算法，计算输出PWM信号，自动控制两个伺服电机地转矩，使车体保持平衡并能够根据人体重心地偏移，自动前进、后退及转弯.2 总体方案设计2.1硬件组成按两轮自平衡电动代步车控制系统地技术要求，控制系统地硬件应包括以下几部分：（1）控制器.作为控制系统地核心，采用S12G128单片机控制各个模块.（2）速度检测通道.将运动量转换为数字量，送给单片机，直接读取当前速度.（3）控制输出通道.控制器输出地控制信号传送给电机，控制电机地正反转和速度.（4）加速度检测通道.将电机角加速度转换为电信号.（5）角度检测通道.将系统倾角转换为电信号.2.2整体电路框图图2.1 总体控制框图2.3直立任务分解（1）控制平衡：通过控制两个电机正反向运动保持车模直立平衡状态；（2）速度控制：通过调节车模地倾角来实现车模速度控制，实际上最后还是演变成通过控制电机地转速来实现车轮速度地控制.（3）控制方向：通过控制两个电机之间地转动差速实现车模转向控制.车地直立和方向控制任务都是直接通过控制车地两个后轮驱动电机完成地.假设电机可以虚拟地拆解成两个不同功能地驱动电机，它们同轴相连，分别控制系统地直立平衡、左右方向.在实际控制中，是将控制直立和方向地控制信号叠加在一起加载电机上，只要电机处于线性状态就可以同时完成上面两个任务.速度是通过调节车模倾角来完成地.不同地倾角会引起车地加减速，从而达到对于速度地控制.2.4平衡控制重力场中使用细线悬挂着重物经过简化便形成理想化地单摆模型.直立着地车可以看成放置在可以左右移动平台上地倒立着地单摆.当物体离开垂直地平衡位置之后，便会受到重力与悬线地作用合力，驱动重物回复平衡位置.这个力称之为回复力，在偏移角度很小地情况下，回复力与偏移地角度之间大小成正比，方向相反.在此回复力作用下，单摆便进行周期运动.在空气中运动地单摆，由于受到空气地阻尼力，单摆最终会停止在垂直平衡位置.空气地阻尼力与单摆运动速度成正比，方向相反.阻尼力越大，单摆越会尽快在垂直位置稳定下来.总结单摆能够稳定在垂直位置地条件有两个：（1）受到与位移（角度）相反地恢复力；（2）受到与运动速度（角速度）相反地阻尼力.通过类比倒立摆可得到了车直立地控制方案.控制车模直立稳定地条件如下：（1）能够精确测量车模倾角θ地大小和角速度'θ地大小；（2）可以控制车轮地加速度.2.5角度和角速度测量（1）加速度传感器加速度传感器可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生地加速度.MMA7260是一款三轴低g半导体加速度计，可以同时输出三个方向上地加速度模拟信号，通过设置可以使得MMA7260各轴信号最大输出灵敏度为800mV/g，这个信号无需要在进行放大，直接可以送到单片机进行AD转换.只需要测量其中一个方向上地加速度值，就可以计算出倾角，比如使用Z轴方向上地加速度信号.车直立时，固定加速度器在Z 轴水平方向，此时输出信号为零偏电压信号.当车发生倾斜时，重力加速度g 便会在Z 轴方向形成加速度分量，从而引起该轴输出电压变化.变化地规律为sin u kg kg θθ∆=≈式中，g 为重力加速度；θ为车模倾角；k 为加速度传感器灵敏度系数系数.当倾角θ比较小地时候，输出电压地变化可以近似与倾角成正比.（2）角速度传感器-陀螺仪陀螺仪可以用来测量物体地旋转角速度.竞赛允许选用村田公司出品地ENC-03系列地加速度传感器.它利用了旋转坐标系中地物体会受到科里奥利力地原理，在器件中利用压电陶瓷做成振动单元.当旋转器件时会改变振动频率从而反映出物体旋转地角速度.在车上安装陀螺仪，可以测量车模倾斜角速度，将角速度信号进行积分便可以得到车模地倾角.由于陀螺仪输出地是车地角速度，不会受到车体运动地影响，因此该信号中噪声很小.车地角度又是通过对角速度积分而得，这可进一步平滑信号，从而使得角度信号更加稳定.因此车控制所需要地角度和角速度可以使用陀螺仪所得到地信号.由于从陀螺仪角速度获得角度信息，需要经过积分运算.如果角速度信号存在微小地偏差和漂移，经过积分运算之后，变化形成积累误差.这个误差会随着时间延长逐步增加，最终导致电路饱和，无法形成正确地角度信号，为了消除这个累积误差一种简单地方法就是通过上面地加速度传感器获得地角度信息对此进行校正.通过对比积分所得到地角度与重力加速度所得到地角度，使用它们之间地偏差改变陀螺仪地输出，从而积分地角度逐步跟踪到加速度传感器所得到地角度.如图2.2所示：图2.2加速度计陀螺仪采集框图（3）双加速度传感器获得角度和角速度加速度传感器Z轴信号除了由于重力加速度引起地输出之外，还包括有车模地角加速度和移动加速度产生地信息.在车模现有地参数基础上，这些信号在幅值、频率等方面没有太大差异，它们叠加在一起无法将它们分开.如果在车模上另外再增加一个加速度传感器，两个加速度传感器安装地高度不同，那么就可以通过这两个信号地差值求出车模地角加速度.通过上下两个加速度传感器输出信号相减，便可以得到车模倾角加速度.对于这个信号进行两次积分，便可以地获得车模倾角地角速度和角度.对于积分所可能带来地积分漂移问题仍然可以采用上面地重力加速度计补偿地方法进行消除.可以得到如下角度控制方案框图 2.3所示.图2.3 角度控制方案框图2.4速度控制对于直立车速度地控制相对于普通车地速度控制则比较复杂.由于在速度控制过程中需要始终保持车地平衡，因此车速度控制不能够直接通过改变电机转速来实现.具体实现需要解决三个问题：（1）如何测量车速度？（2）如何通过车模直立控制实现车倾角地改变？（3）如何根据速度误差控制车倾角？第一个问题可以通过安装在电机输出轴上地光码盘来测量得到车地车轮速度.利用控制单片机地计数器测量在固定时间间隔内速度脉冲信号地个数可以反映电机地转速.第二个问题可以通过角度控制给定值来解决.给定车直立控制地设定值，在角度控制调节下，车模将会自动维持在一个角度.通过前面车直立控制算法可以知道，车模倾角最终是跟踪重力加速度Z轴地角度.因此车地倾角给定值与重力加速度Z轴角度相减，便可以最终决定车地倾角.控制框图如图2.4所示.图2.4 倾角控制框图第三个问题介意在前两个问题地基础上增加微分控制，控制框图如图 2.5所示.图2.5 速度闭环控制框图2.5方向控制车地方向控制可在直立和速度闭环地基础上，给电机叠加上方向电信号，实现电机差速，从而实现方向地改变.在车模控制中地直立、速度和方向控制三个环节中，都使用了比例微分（PD）控制，这三种控制算法地输出量最终通过叠加通过电机运动来完成.（1）车模直立控制：使用车模倾角地PD（比例、微分）控制；（2）车模速度控制：使用PD（比例、微分）控制；（3）车模方向控制：使用PD（比例、微分）控制.3 硬件电路设计3.1 单片机及其外围电路微控制器采用S12G128.MC9S12DG128有8KB RAM，128KB FLASH，4KB EEPROM ,8路PWM，16路8位、10位AD，8路ECT，总线频率25MHZ，串行口有2个SCI，2个SPI，3个CAN总线模块.系统地输入输出包括：（1） AD转换接口（至少5路）方向检测：左右两路，用于测量左右两个控制器电压.陀螺仪：两路.一路用于检测车倾斜角速度，一路用于检测车转动角速度.加速度计：一路，测量加速度Z轴输出电压.辅助调试：（备用）1到3路，用于车调试、设置作用.（2） PWM接口（4路）控制左右两个电极双方向运行.由于采用单极性ＰＷＭ驱动，需要四路PWM 接口.如果采用双极性ＰＷＭ驱动，可以使用两路.（3）定时器接口（2路）测量两个电机转速，需要两个定时器脉冲输入端口.（4）通讯接口（备用）SCI（UART）：一路，用于程序下载和调试接口；（5） IO接口（备用）4到8路输入输出，应用车运行状态显示，功能设置等.图3.1 单片机最小系统板外围电路3.2控制电路划分为如下子模块：DSC处理器，程序下载调试接口等；方向检测：包括两路相同地电压信号放大与检波电路如图3.3所示：图3.2 检波电路陀螺仪与加速度计：包括三个姿态传感器信号放大滤波电路；图3.3 陀螺仪与加速度计检测电路速度检测：检测电机光电码盘脉冲频率，实际上只包括了两个光电码盘地传感器;图3.4 测速电路电机驱动：驱动两个电极运行功率电路；图3.5 驱动电路图电源：电源电压转转换，稳压，滤波电路；图3.6电源模块4 系统软件设计系统软件分为主程序、中断服务程序和子程序三部分.4.1 主程序设计程序上电运行后，便进行单片机地初始化.初始化地工作包括有两部分，一部分是对于该程序通过读取加速度计地数值判断车模是否处于直立状态.在通过串口发送到上位机进行监控.同时检查车模是否跌倒.过全局标志变量确定是否进行这些闭环控制.单片机各个应用到地模块进行初始化.这部分地代码由CodeWarrior集成环境地ProcessorExpert工具生成.第二部分是应用程序初始化，是对于车模控制程序中应用到地变量值进行初始化.初始化完成后，首先进入车模直立检测子程序.如果一旦处于直立状态则启动车模直立控制、方向控制以及速度控制.程序在主循环中不停发送监控数据，跌倒判断可以通过车模倾角是否超过一定范围进行确定，或者通过安装在车模前后防撞支架上地微动开关来判断.一定车模跌倒，则停止车模运行.包括车模直立控制、速度控制以及方向控制.然后重新进入车模直立判断过程.车模地直立控制、速度控制以及方向控制都是在中断程序中完成.程序控制框图如图4.1所示：.图4.1 程序控制框图4.2控制相关地软件函数：1. AngleCalculate：车模倾角计算函数.根据采集到地陀螺仪和重力加速度传感器地数值计算车模角度和角速度.如果这部分地算法由外部一个运放实现，那么采集得到地直接是车模地角度和角速度，这部分算法可以省略.该函数是每5毫秒调用一次.2. AngelControl：车模直立控制函数.根据车模角度和角速度计算车模电机地控制量.直立控制是5毫秒调用一次.3. SpeedControl：车模速度控制函数.根据车模采集到地电机转速和速度设定值，计算电机地控制量.该函数是100毫秒调用一次.4. SpeedControlOutput：速度输出平滑函数.由于速度是每100毫秒进行一次计算.为了使得速度控制更加平滑，该函数将速度输出变化量平均分配到20步5毫秒地控制周期中.5. DirectionControl：方向控制函数.根据车模采集到地左右两个电压传感器地数值计算出角度控制地量.该函数每10毫秒调用一次.6. DirectionControlOutput：方向控制函数输出平滑函数.将方向控制地输出变化量平均分配到2步5毫秒地控制周期中.7. MotorOutput：电机输出量汇集函数.根据前面地直立控制、速度控制和方向控制所得到地控制量进行叠加，分别得到左右两个电极地输出电压控制量.对叠加后地输出量进行饱和处理.函数调用周期5毫秒.在此请大家注意速度控制量叠加地极性是负.8. MotorSpeedOut：电机PWM输出计算函数.根据左右两个电极地输出控制量地正负极性，叠加上一个小地死区数值，克服车模机械静态摩擦力.函数调用周期5毫秒.9. SetMotorVoltage：PWM输出函数：根据两个电机地输出量，计算出PWM 控制寄存器地数值，设置四个PWM控制寄存器地数值.函数调用周期1毫秒.4.3中断服务程序中断服务程序用于车地角度、速度和方向控制地周期调用.5总结MCU具有体积小、重量轻、价格低廉地特点，应用于自动控制系统中可以有效降低系统地成本.针对不同地工作环境，采取相应地抗干扰措施，可以在环境恶劣地环境下可靠地运行.数据采集通道中采用A/D转换器，具有转换精度高、抗工频干扰能力强、易于实现光电隔离以及价格低廉等特点，合理确定外围元件地参数是保证数据采集精度地关键.借鉴人工控制地经验，通过大量试验得到控制PID地参数，根据设定值与检测值之间地偏差，运用PID控制，实现平滑输出，课提高系统地稳定性.参考文献[1] 张迎新．单片微型计算机原理、应用及接口技术（第2版）[M]．北京：国防工业出版社，2004[2] 熊志奇．微机自动配料控制系统[J]．电子技术应用，1997，(10)：30-32[3] 中国电子网[4]唐介，电机与拖动（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2007[5]阎石，数字电子技术基础（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2005[6]胡寿松，自动控制原理（第二版）[M].北京：科学出版社，2007个人收集整理-仅供参考附录A 电路图版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理.版权为个人所有This article includes some parts, including text, pictures, and design. Copyright is personal ownership.bR9C6。
基于两轮自平衡小车的测控系统课程设计教学改革
基于两轮自平衡小车的测控系统课程设计教学改革随着科技的发展和应用，自平衡小车已经成为一种非常流行的电子产品。
它具有自动平衡功能，能够保持在直立的状态，同时还可以通过电子控制系统来实现前进、后退、转向等操作。
基于两轮自平衡小车的测控系统课程设计教学改革成为当下教育领域的一大热门话题。
本文将对此进行探讨和分析。
一、课程设计教学改革的背景和意义随着信息技术的飞速发展，测控系统已经成为电子工程领域的重要组成部分。
而基于两轮自平衡小车的测控系统设计课程则是电子工程专业的重要课程之一。
传统的课程设计教学方法通常是以理论知识为主，很少涉及到实际操作和应用。
在当今社会，实际操作能力和实践应用能力已经成为人才培养的重要方面。
为了更好地满足社会需求和学生的学习需求，有必要对基于两轮自平衡小车的测控系统课程设计教学进行改革。
在进行课程设计教学改革的过程中，我们需要关注以下几个方面的问题：如何调整课程内容。
传统的课程设计教学通常注重理论知识的讲解，但缺乏实际操作和应用。
我们需要调整课程内容，将实际操作和应用纳入课程设计中，使学生能够在实践中真正理解和掌握所学知识。
如何改进教学方法。
传统的教学方法通常是讲授为主，实践操作为辅。
基于两轮自平衡小车的测控系统设计课程需要强调实践操作和应用能力的培养。
我们需要改进教学方法，引入项目式教学、实践教学等新的教学方法，以提高学生的实践操作能力。
如何增加课程的实用性。
传统的课程设计通常是为了考试而设计，缺乏实际应用价值。
基于两轮自平衡小车的测控系统设计课程需要具有一定的实际应用价值。
我们需要增加课程的实用性，引入一些实际项目，并与企业、社会进行合作，以培养学生的实际操作和应用能力。
二、改革目标和路径基于以上问题的分析，我们可以确定该课程设计教学改革的目标为：培养学生的实际操作和应用能力，提高学生的创新能力和实践能力，增强学生的综合素质和竞争力。
实现这一目标需要走一条符合课程特点和学生需求的改革路径。
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。
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。
基于PID控制器的两轮自平衡小车设计
基于PID控制器的两轮自平衡小车设计一、引言在自动控制领域中，PID控制器是一种常用的控制器。
它通过对系统输出进行反馈，来调节系统的输入，使系统的输出尽可能接近预期值。
本文将基于PID控制器设计一个两轮自平衡小车。
二、系统模型两轮自平衡小车是由两个驱动电机控制的，通过控制电机的转速来实现小车的前进、后退、转向等功能。
小车的整体结构是一个倒立摆，通过控制电机的转速，使其保持垂直状态。
系统的输入是电机转速，输出是小车的倾斜角度。
三、PID控制器PID控制器由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分组成。
这三个部分根据误差来计算控制信号，实现对系统的控制。
1.比例控制部分：比例控制器根据误差的大小来计算控制信号。
误差是指系统输出与期望输出之间的差异。
比例控制器的计算公式为u_p=K_p*e(t)，其中u_p是比例输出，K_p是比例增益，e(t)是误差。
2. 积分控制部分：积分控制器根据误差的累积值来计算控制信号。
积分控制器的计算公式为u_i = K_i * ∫e(t)dt，其中u_i是积分输出，K_i是积分增益，∫e(t)dt是误差的累积值。
3. 微分控制部分：微分控制器根据误差的变化率来计算控制信号。
微分控制器的计算公式为u_d = K_d * de(t)/dt，其中u_d是微分输出，K_d是微分增益，de(t)/dt是误差的变化率。
PID控制器的输出信号为u(t)=u_p+u_i+u_d，其中u(t)是控制信号。
四、设计与实现在设计两轮自平衡小车的PID控制器时，需要根据系统的特性来选择合适的参数。
通常可以通过试验或仿真来获得系统的模型，进而进行参数调节。
1.参数调节：首先，可以将系统的转角作为输入信号，通过试验或仿真来获得小车的倾斜角度与转角的关系。
然后，可以根据比例、积分和微分控制部分的特性，来选择合适的增益参数。
比例增益越大，系统的响应速度越快，但可能会引起震荡；积分增益可以消除静态误差，但可能会引起过冲；微分增益可以减小震荡，但可能会引起超调。
基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计
基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计文件排版存档编号：[UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208]基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计摘要两轮自平衡车是一种高度不稳定的两轮机器人，就像传统的倒立摆一样，本质不稳定是两轮小车的特性，必须施加有效的控制手段才能使其稳定。
本文提出了一种两轮自平衡小车的设计方案，采用重力加速度陀螺仪传感器MPU-6050检测小车姿态，使用互补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STC公司的8位单片机STC12C5A60S2为主控制器，根据从传感器中获取的数据，经过PID算法处理后，输出控制信号至电机驱动芯片TB6612FNG，以控制小车的两个电机，来使小车保持平衡状态。
整个系统制作完成后，小车可以在无人干预的条件下实现自主平衡，并且在引入适量干扰的情况下小车能够自主调整并迅速恢复至稳定状态。
通过蓝牙，还可以控制小车前进，后退，左右转。
关键词：两轮自平衡小车加速度计陀螺仪数据融合滤波 PID算法Design of Control System of Two-Wheel Self-Balance Vehicle based onMicrocontrollerAbstractTwo-wheel self-balance vehicle is a kind of highly unstable two-wheel robot. The characteristic of two-wheel vehicle is the nature of the instability as traditional inverted pendulum, and effective control must be exerted if we need to make it stable. This paper presents a design scheme of two-wheel self-balance vehicle. We need using gravityaccelerometer gyroscope sensor MPU6050 for the inclination angle of vehicle, and using complementary filter for the data fusion of gyroscope and accelerometer. We choose an 8-bit microcontroller named STC12C5A60S2 from STC Company as main controller of the control system. The main controller output control signal, which is based on the data from the sensors, to the motor drive chip named TB6612FNG forcontrolling two motors of vehicle, and keeping the vehicle in balance. After the completion of the control system, the vehicle can achieve autonomous balance under the conditions of unmanned intervention, the vehicle can adjust automatically and restored to a stable statequickly in the case of giving appropriate interference as well. In addition, we can control the vehicle forward, backward and turn around. Key words: Two-Wheel Self-Balance Vehicle; Accelerometer; Gyroscope; Data fusion;Complementary filter; PID algorithm1 绪论自平衡小车的研究背景近几年来，随着电子技术的发展与进步，移动机器人的研究不断深入，成为目前机器人研究领域的一个重要组成部分，并且其应用领域日益广泛，其所需适应的环境和执行的任务也更复杂，这就对移动机器人提出了更高的要求。
两轮直立车平衡控制系统的设计
两轮直立车平衡控制系统的设计靳凯麟【摘要】相较于四轮车来说，两轮直立车的行动更加的方便和灵活，这主要是因为两轮车能够大大减少转弯时的半径。
本研究将对两轮直立车的平衡控制系统进行分析，研究两轮直立车行走、寻迹和速度控制的设计特点。
【期刊名称】《电子制作》【年(卷),期】2015(000)008【总页数】1页(P30-30)【关键词】两轮直立车;平衡控制系统【作者】靳凯麟【作者单位】海南师范大学物理与电子工程学院 571158【正文语种】中文两轮直立车是由电力驱动、能够自我平衡的两轮车，目前已经作为交通工具广泛地应用在了个人交通、室内场馆巡视、工作巡视、警察巡逻等多个方面，且应用范围还在逐渐扩大。
在本次研究中，将对两轮直立车当中的平衡控制系统进行分析。
考虑到传感器能够感应的电压信号较小，因此通过集成运放将信号扩大，接着将信号检波成直流电平并送入AD口。
同步输入编码器信号，通过输入捕捉通道计算出两轮直立车的行驶速度。
通过PID控制算法，对舵机进行控制，并通过连续控制函数对数值进行修正，保证转向的精确性和连续性。
将驱动电机的频率设置为8kHZ，并对电机的输出功率进行调整。
通过LC并联谐振，得到电磁信号，该信号是模拟信号。
对两轮直立车轮子的转速进行改变，从而实现对两轮车方向、速度以及平衡的控制。
这是因为在传感器当中，有用来检测方向的电感，用来检测速度的旋转编码器，用来检测平衡的加速度计和陀螺仪。
注意在控制车模的方向、速度和直立这3个环节当中，都应该使用PID控制，其输出量会通过对电机运动的叠加控制完成。
具体分析：通过PD控制车模的方向，通过PI控制车模的速度，通过PD控制车模的倾角。
值得注意的是，在调节速度的过程中，应做到平滑和缓慢，这是因为车模属于非最小的相位系统，如果反馈控制的速度和比例过大，那么很容易导致正反馈，从而打破系统的稳定性，使车模失控。
图1为硬件的结构图。
以模块化为主要的设计思想和指导，对硬件的系统进行设计。
毕业设计(论文)--基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计
基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计摘要两轮自平衡车是一种高度不稳定的两轮机器人，就像传统的倒立摆一样，本质不稳定是两轮小车的特性，必须施加有效的控制手段才能使其稳定。
本文提出了一种两轮自平衡小车的设计方案，采用重力加速度陀螺仪传感器MPU-6050检测小车姿态，使用互补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STC公司的8位单片机STC12C5A60S2为主控制器，根据从传感器中获取的数据，经过PID算法处理后，输出控制信号至电机驱动芯片TB6612FNG，以控制小车的两个电机，来使小车保持平衡状态。
整个系统制作完成后，小车可以在无人干预的条件下实现自主平衡，并且在引入适量干扰的情况下小车能够自主调整并迅速恢复至稳定状态。
通过蓝牙，还可以控制小车前进，后退，左右转。
关键词：两轮自平衡小车加速度计陀螺仪数据融合滤波PID算法Design of Control System of Two-WheelSelf-Balance Vehicle based on MicrocontrollerAbstractTwo-wheel self-balance vehicle is a kind of highly unstable two-wheel robot. The characteristic of two-wheel vehicle is the nature of the instability as traditional inverted pendulum, and effective control must be exerted if we need to make it stable. This paper presents a design scheme of two-wheel self-balance vehicle. We need using gravity accelerometer gyroscope sensor MPU6050 for the inclination angle of vehicle, and using complementary filter for the data fusion of gyroscope and accelerometer. We choose an 8-bit microcontroller named STC12C5A60S2 from STC Company as main controller of the control system. The main controller output control signal, which is based on the data from the sensors, to the motor drive chip named TB6612FNG for controlling two motors of vehicle, and keeping the vehicle in balance. After the completion of the control system, the vehicle can achieve autonomous balance under the conditions of unmanned intervention, the vehicle can adjust automatically and restored to a stable state quickly in the case of giving appropriate interference as well. In addition, we can control the vehicle forward, backward and turn around.Key words: Two-Wheel Self-Balance Vehicle; Accelerometer; Gyroscope; Data fusion; Complementary filter; PID algorithm1 绪论 (1)1.1自平衡小车的研究背景 (1)1.2 自平衡小车研究意义 (1)1.3 论文的主要内容 (2)2 课题任务与关键技术 (2)2.1 主要任务 (2)2.2关键技术 (2)2.2.1 系统设计 (2)2.2.2 数学建模 (2)2.2.3姿态检测 (3)2.2.4 控制算法 (3)3 系统原理分析 (3)3.1 控制系统任务分解 (3)3.2 控制原理 (4)3.3 数学模型 (5)4 系统硬件设计 (6)4.1 STC12C5A60S2单片机介绍 (7)4.2 电源管理模块 (8)4.3 车身姿态感应模块 (9)4.3.1 加速度计 (10)4.3.2 陀螺仪 (12)4.4 电机驱动模块 (14)4.5 速度检测模块 (16)5 系统软件设计 (16)5.1 软件系统总体结构 (17)5.2 单片机的硬件资源配置 (18)5.2.1定时/计数器设置 (18)5.2.2 PWM输出设置 (20)5.2.3 串行通信设置 (23)5.2.4 中断的开放与禁止 (26)5.3 MPU6050资源配置 (27)5.3.1 普通IO口模拟IIC通讯 (28)5.3.2 MPU6050资源配置 (32)5.4 系统控制算法设计 (34)5.4.1 PID算法 (34)5.4.2 互补滤波算法 (35)5.4.3 角度控制与速度控制 (35)5.4.4 输出控制算法 (36)6 总结与展望 (37)6.1 总结 (37)6.2 展望 (37)参考文献 (38)1 绪论1.1自平衡小车的研究背景近几年来，随着电子技术的发展与进步，移动机器人的研究不断深入，成为目前机器人研究领域的一个重要组成部分，并且其应用领域日益广泛，其所需适应的环境和执行的任务也更复杂，这就对移动机器人提出了更高的要求。
双轮机器人平衡控制系统设计(DOC)
2012届毕业生毕业设计说明书题目: 双轮直立智能机器人平衡系统设计目次1 概述 (3)1.1 轮式智能机器人的研究背景及意义 (3)1.2 国内外研究现状 (3)1.3课题研究内容 (4)2总体设计方案 (4)2.1双轮智能平衡机器人的工作原理 (5)2.2机器人平衡控制系统方案分析 (6)3微控制器和检测电路设计 (7)3.1 S08微控制器 (7)3.2角度和角速度检测模块 (8)3.3速度传感器 (11)4驱动电路及电源模块设计 (12)4.1微型直流电机 (12)4.2电机驱动模块 (12)4.3电源模块设计 (13)5软件设计 (14)5.1 S08AW60微控制器资源配置 (14)5.2 PID控制原理 (16)5.3 程序设计 (17)总结 (21)1 概述1.1 轮式智能机器人的研究背景及意义随着科学技术的迅速发展，人类进入了数字化、智能化时代，计算机科学和控制理论的发展为人类制造高度智能的仿真机器人提供了可能。
专家预言，二十一世纪将是机器人的时代。
从上个世纪八十年代开始，机器人技术逐渐形成了一个比较系统的科学体系，它将力学、机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制理论和算法等学科融为一体，不断吸收其它相关学科的最新研究成果，形成了一门独立的高科技学科。
移动机器人是现代机器人中的一个重要的分支，它能够根据指定的命令，自主运动到特定位置，具备对工作环境的感知和自我适应、运动的实时决策以及自身的行为控制等功能，它具有很高的军事、商业价值[1]。
近年来，移动机器人已经得到广泛的应用，几乎渗透到各个行业，所实现的功能也是越来越复杂，例如应用于核电站、军事应用、宇宙探索、防灾救灾、危险品运输、地形勘探、海洋开发等。
轮式移动机器人作为移动机器人的一个重要分支。
轮式移动机器人比较适合在狭窄和大转角场合工作，因此轮式移动机器人的实用价值和理论价值都非常高[2]。
1.2 国内外研究现状在二十世纪八十年代末，日本东京电信大学自动化系的山藤一雄教授最早提出了双轮直立自平衡机器人的设计思想，并于1996年在日本通过了专利申请。
基于串级PID控制的两轮自平衡车控制系统设计
基于串级PID控制的两轮自平衡车控制系统设计摘要：伴两轮平衡车的状态变量多、系统模型非线性、变量间强耦合、时变性等不稳定，需要高效的控制算法和控制周期。
本文采用串级PID控制系统配合互补滤波算法姿态解算，实时精确地控制无刷直流电机，以角速度环为最内环，角度环与速度环为外环实现了闭环控制。
系统结果表明，基于串级PID控制的控制系统能够有效控制两轮自平衡车的运行。
关键词：两轮自平衡车；控制算法；控制周期引言两轮平衡车是通过电机对左右两轮进行力矩输出保持平衡的类倒立摆系统，具有结构小巧、控制高效和转弯灵活等特点已经成为移动机器人的研究热点。
对于自平衡车控制系统，已有不同的控制理论被提出，其中常用于实际应用的控制算法有常规PID控制、自适应控制、模糊控制等。
采用串级PID控制系统配合互补滤波算法姿态解算，通过实时精确地控制无刷直流电机，以角速度环为最内环，角度环与速度环为外环实现了闭环控制。
在实践赛道中表现出具有良好的动态特性，反应迅速。
一、系统整体设计本文要求能识别赛道方向信息，自主控制姿态，通过两轮驱动以直立姿态行驶在铺有电磁线的赛道上，并且同时在微控制器上采集到的各个传感器信息无线传输到PC上位机。
系统设计整体架构如图 1，微处理器选用飞思卡尔的MK6ODN512ZVLQ1O为控制中心，通过外接电磁传感器、MPU6050三轴姿态传感器、测速512线编码器来获取当前车体的方向、姿态、速度信息。
通过微处理器运算后输出PWM控制信号给驱动模块驱动电机运转，同时通过NRF24L01无线传输模块发送信息到上位机进行监视。
二、软件设计2.1软件总体设计框架由于两轮平衡车是一种典型的倒立摆模型，根据平衡车的自平衡原理，当检测到传感器解算出的角度与预设机械零点角度不同即车体发生倾斜时，为保持车体平衡，需要电机发力驱动车向前或向后获得加速度，让重心移动来达到系统动态平衡。
在开通电源后，传感器必须进行初始化，从而保证传感器的工作正常。
两轮直立自平衡寻迹小车控制系统的研究
精 度达到 了 ０ ． ２ ５ ｃ ｍ １ 个 脉冲 ， 对 于智 能车 的控
制， 这 已经 满足 要 求 了 。电源作 为 小车 的核 心 ， 除 了满足 小车所 需 ， 尽量 简 单稳定 。本课题 采用 了 １ 片Ｔ Ｐ Ｓ ７ ３ ５ ０ 为单 片机供 电 ， 另１ 片 给检 波 电路 和 直
Ｐ Ｄ控 制 。 由于车 模是 一 个非 最 小相 位 系统 ， 因此 该 反馈 控 制 如 果 比例 和速 度 过 大 ， 很 容 易形 成 正
学生“ 飞思卡尔” 杯智能汽车竞赛总决赛 电磁组一
等奖 。
ｌ 设计方案
由于传感器感应得到的电压信号只有几十个 ｍ Ｖ， 所 以采用集成运放把信号进行放大 ， 然后将 其检波为直流 电平送人 Ｘ Ｓ １ ２ ８ 的Ａ Ｄ口。同时编 码器的信号也 同步输入 ， 由Ｘ Ｓ １ ２ ８ 的输入捕捉通
别， 因此将传感器放置为对赛道信号变化敏感的
方 向以便 最 快 、 最 灵 敏 的 检测 到 赛 道 变化 引起 的 信 号变化 。
车 模 的平 衡 控 制 、 速 度 控 制 和方 向控 制 都 是
立传 感器 供 电。经过测试 ， Ｔ Ｐ Ｓ ７ ３ ５ ０ 性 能很好 。
靠改变两个轮子的转速来实现 。传感器有用于平
轮的转 向更加具有连续性和精确性 ； 驱动 电机在 最佳的驱动频率（ ８ ｋ Ｈ Ｚ ） 下， 采用增量式 Ｐ Ｉ Ｄ 控制 Ｘ Ｓ １ ２ ８ Ｐ ＷＭ通道的 占空 比而调整电机输 出功率 。
图 １ 系 统 硬 件 结 构 图
整 个 硬 件 系统 采 用 的是 模 块化 的设 计 思 想 ， 硬件结构图如图 １ 所 示 。测 速模 块 用 了 １ ０ ０ 线 的
两轮直立车控制系统设计
两轮直立车控制系统设计
作者：沙志豪刘璐璐张洪蒲秋梅
来源：《电子技术与软件工程》2016年第06期
摘要本文介绍了两轮直立车控制系统的程序设计和硬件结构。
通过对不同方案设计的实验，确定了目前的机械结构及控制参数，保障了高速行驶时的稳定性。
根据CCD采集到的模拟赛道信息进行图像处理，获得车身位置，并通过控制两轮差速完成方向控制。
描述了两轮直立车车控制系统的设计思想和实现方法，对系统中速度控制、直立控制和方向控制进行了分析，介绍了程序以及中断的设计。
【关键词】智能车角度融合 PID控制 CCD
随着技术的不断进步，两轮直立车凭借着结构简单，行驶方便，节能环保等优势，得到了巨大的发展。
本文设计并搭建了一台能够实现两轮直立行驶的智能车，其中飞思卡尔公司生产的MK40DN512ZVLQ10 单片机为控制核心，重力加速度陀螺仪传感器MPU6050作为车身姿态控制测量元件，通过加速度和角速度的融合获取车身姿态，进而进行直立控制。
捕获车身角度和速度计算两轮电机所需PWM的占空比，以实现速度控制。
线性ccd 采集模拟赛道信息，通过二值化等一系列处理来计算车身所处位置，从而完成两轮直立车的道路行驶。
两轮自平衡车系统的设计
两轮自平衡车系统的设计【摘要】两轮自平衡小车是一个集传感器系统、控制系统和推进系统于一体的机器人，通过多种传感器进行加速度、角度等数据采集、读取、处理后，将数据发送给控制器，由控制器控制电机的输出速度和转矩，让车体保持平衡，并能够按照操作者的意图前进、后退或转弯。
【关键词】自平衡车；传感器；控制器0.引言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。
1.系统功能设计维持车体直立行驶可以设计出很多的方案，本方案假设维持车体直立，运行的动力都来自于车体的两个轮子，图（1）所示为自平衡小车系统框图。
两个车轮由大功率直流电机驱动。
因此从控制角度来看，车体作为一个控制对象，它的控制输入量是两个电极的转动速度。
车体运动控制任务可以分解成以下三个基本控制任务：（1）控制车体平衡：通过控制两个电机正反向运动保持车体直立平衡状态。
（2）控制车体速度：通过调节车体的倾角来实现车体速度控制，实际上最后还是演变成通过控制电机的转速来实现车轮速度的控制。
（3）控制车体方向：通过控制两个电机之间的转动差速来实现车模转向控制。
三个分解任务各自独立进行控制。
由于最终都是对同一个控制对象进行控制，所以他们之间存在耦合。
最终三个控制参量累加到一起作用到电机上。
2.系统机械设计平衡车的整体结构主要包括车身、左右车轮、左右悬架和操纵杆。
悬架和车轮之间6颗螺丝相连且可以相互转动；操纵杆则是靠2只较大的螺丝和车架固定。
3.系统硬件电路设计3.1陀螺仪与加速计的数据采集与处理陀螺仪采用村田公司的ENC-03，加速计采用MMA7260。
因为陀螺仪的动态响应较好，而加速计的静态响应较好，这就需要对两个传感器输出信号进行必要的处理。
陀螺仪输出模拟信号，且有差分接口，采用差分运放可以有效去除信号中的直流分量，在经过硬件积分电路，转换成陀螺仪输出角度。
两轮直立小车控制系统的研究
机Ｐ Ｉ Ｄ 算 法 输 出相 应 的Ｐ Ｗ Ｍ 信 号 ，对 电机 的转 速 进 行有 效 调节 ，从 而 控 制 小车 的 运行 状 态 。单 个 电 机 的驱动 电路 原 理 图如 图３ 所示。 ２ ． ３传 感 器 检 测 电路 设计 为 保 证 小 车 的直 立平 衡控 制， 需要 对 车 身的 运动 状 态 进 行监 测 。系 统选 用 Ｅ Ｎ Ｃ — Ｏ ３ 陀 螺仪 传 感 器 和Ｍ Ｍ Ａ ７ ３ ６ １ 加 速 度传 感 器 二 合 一 的模 块 ，实 现 对 小车 车 身状 态的 实 时 监控 。该模 块 自带有 硬 件 滤波 功 能 ， 由 该模 块 的Ｊ 口直 接 输 出小 车 的 角 度 值 ， 不用 通 过 角速 率 对 时 闾 的积 分来 获 取 ， 也就 是 说软 件 方 面我 们 只 需 要对 采 集 回来 的角 度信 号 进 行 简单 的 处 理 ，就 能 得到 相 应 的 角度 变 化 ， 该 模块的ｘ 口输 出 的 是 实 时 的 角速 度值 ，采 集 回来 的数 据 经过 简 单的处 理 就 能得 到 相 应 的 角速 度 变 化 。 角度 数 据采 集 的 准 确与 否 ， 直接 关 系 到 直立 环 节 的 直 立 效 果 ， 而 在 直 立 环 节 ，速 度 环 节 ， 转 向 环 节 中 ， 直 立 环 节 又 是 另 外 两 个 环 节 的 基 础 ，所 以 角 度 数 据 采 集 显 得 尤 为 重 要 。 传 感 器 模 块 的 电 路 原 理 图 如 图４ 所示 。 ２ ． ４ 系 统 主控 制 器 控 制 系 统 的 主 控 制 器 选 用 飞思 卡 尔 公 司 的 Ｍ Ｋ ６ Ｏ Ｄ Ｎ ５ １ ２ Ｖ Ｌ Ｑ ｌ ０ 单 片机 ，该 单 片机 是一 款 高 性 能 的３ ２ 位 处 理 器 。利 用 该 单 片 机 内 置 的Ａ ／ Ｄ 转 换 模 块 以 及Ｐ ｗ Ｍ 模 块 、Ｔ Ｉ Ｍ 定 时 器模 块 、Ｐ Ｉ Ｔ 周 期 性 中 断 定 时 器 等 模 块 。 由单 片 机 采 集 加 速 度 传 感 器 和 陀 螺 仪 的 信 号 以及 对 这 些 信 号 的处 理 和 相 关 运算 ．将 Ｐ Ｉ Ｄ 运 算 的 结 果传 递 给Ｐ Ｗ Ｍ 模 块 ， 最后 由 Ｐ Ｗ Ｍ 模 块 输 出 信 号 控 制 电机 的 转 速及 转 向 以 使 小 车保 持 直立 ，并 能按 一 定路 径 自动 行驶 。
两轮直立代步车控制器设计
计算机控制技术课程设计成绩评定表设计课题两轮直立代步车控制器设计学院名称：电气工程学院专业班级：学生姓名：学号：指导教师：设计地点：设计时间：计算机控制技术课程设计课程设计名称：两轮直立代步车控制器设计专业班级：自动化1004 学生姓名：学号：指导教师：课程设计地点：31-503课程设计时间：2011-06-11～2011-06-15计算机控制技术课程设计任务书目录1 引言 (3)2 总体方案设计 (4)2.1硬件组成 (4)2.2整体电路框图 (4)2.3直立任务分解 (4)2.4平衡控制 (5)2.5角度和角速度测量 (5)2.4速度控制 (7)2.5方向控制 (9)3 硬件电路设计 (9)3.1 单片机及其外围电路 (9)3.2控制电路划分为如下子模块： (10)4 系统软件设计 (13)4.1 主程序设计 (13)4.2控制相关的软件函数： (14)4.3中断服务程序 (15)5总结 (15)参考文献 (15)附录A 电路图 (16)1 引言两轮自平衡电动代步车是一种两轮左右并行布置结构的具有自平衡系统的电动车。
利用倒立摆控制原理，使车体始终保持平衡。
在车体内嵌入式CPU的控制下，采集平衡传感器以及速度、加速度传感器的数据，通过建立的系统数学模型和控制算法，计算输出PWM信号，自动控制两个伺服电机的转矩，使车体保持平衡并能够根据人体重心的偏移，自动前进、后退及转弯。
2 总体方案设计2.1硬件组成按两轮自平衡电动代步车控制系统的技术要求，控制系统的硬件应包括以下几部分：（1）控制器。
作为控制系统的核心，采用S12G128单片机控制各个模块。
（2）速度检测通道。
将运动量转换为数字量，送给单片机，直接读取当前速度。
（3）控制输出通道。
控制器输出的控制信号传送给电机，控制电机的正反转和速度。
（4）加速度检测通道。
将电机角加速度转换为电信号。
（5）角度检测通道。
将系统倾角转换为电信号。
2.2整体电路框图图2.1 总体控制框图2.3直立任务分解（1）控制平衡：通过控制两个电机正反向运动保持车模直立平衡状态；（2）速度控制：通过调节车模的倾角来实现车模速度控制，实际上最后还是演变成通过控制电机的转速来实现车轮速度的控制。
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两轮直立车控制系统设计
摘要本文介绍了两轮直立车控制系统的程序设计和硬件结构。
通过对不同方案设计的实验，确定了目前的机械结构及控制参数，保障了高速行驶时的稳定性。
根据CCD采集到的模拟赛道信息进行图像处理，获得车身位置，并通过控制两轮差速完成方向控制。
描述了两轮直立车车控制系统的设计思想和实现方法，对系统中速度控制、直立控制和方向控制进行了分析，介绍了程序以及中断的设计。
【关键词】智能车角度融合PID控制CCD
随着技术的不断进步，两轮直立车凭借着结构简单，行驶方便，节能环保等优势，得到了巨大的发展。
本文设计并搭建了一台能够实现两轮直立行驶的智能车，其中飞思卡尔公司生产的MK40DN512ZVLQ10 单片机为控制核心，重力加速度陀螺仪传感器
MPU6050作为车身姿态控制测量元件，通过加速度和角速度的融合获取车身姿态，进而进行直立控制。
捕获车身角度和速度计算两轮电机所需PWM的占空比，以实现速度控制。
线性ccd 采集模拟赛道信息，通过二值化等一系列处理来计算车身所处位置，从而
完成两轮直立车的道路行驶。