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 vehicle

Abstract

In 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 (5)

1.3 方案论证及选择 (6)

1.4 关键技术及目标 (7)

1.4.1 姿态数据处理 (7)

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 (15)

3.3.2 MC9S12XS128最小系统电路 (16)

3.4 MPU6050 (17)

3.4.1 MPU6050简介 (17)

3.4.2 I2C通信 (18)

3.5 电机驱动电路 (18)

3.5.1 驱动芯片介绍 (18)

3.5.2 驱动电路设计 (19)

3.6 速度传感器电路 (20)

3.6.1 光电编码器介绍 (20)

3.7 无线遥控电路 (20)

3.7.1 Pt2262简介 (20)

3.7.2 Pt2262应用 (21)

3.8 液晶显示电路 (22)

3.8.1 LCD1602简介 (22)

3.8.2 LCD1602电路 (22)

3.9 车模控制电路全图 (23)

3.10 本章小结 (25)

第4章系统软件设计 (26)

4.1 控制算法介绍 (26)

4.2 S12单片机初始化 (27)

4.2.1 锁相环初始化 (27)

4.2.2 PWM模块初始化 (27)

4.2.3 串行通信初始化 (27)

4.2.4 外部中断初始化 (28)

4.3 PID控制的实现 (28)

4.4 姿态数据处理 (28)

4.4.1 角度计算函数 (28)

4.4.2 滤波方法分析与选择 (28)

4.5 小车的运动控制 (32)

4.6 无线遥控 (32)

4.7 本章小结 (32)

第5章系统调试 (34)

5.1 软件调试工具 (34)