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1、沈阳理工大学学士学位论文摘 要近几年来，随着汽车技术的快速发展，很多新兴技术涌现出来，其中就包括双轮自平衡小车技术。这项技术在很多方面都得到了体现，在交通方面施展了尤为强大的作用，其应用也逐渐深入到日常生活中，现在生活中常见的双轮自平衡电动车便是最常见的代表。本文侧重介绍以MC9S12XS128芯片为主控制器的双轮自平衡小车的设计方案。智能车采用村田公司的陀螺仪ENC-03和飞思卡尔公司的加速度计7260来协调控制，达到精确检测角度的目的，检测出小车的倾角，反馈到单片机来控制小车直立的过程。同时本智能车控制系统用PWM控制技术来驱动电机运行，控制小车直立，还采用PID控制算法使小车达到最佳的运
2、行状态。进行正确的软件编译，下载程序完成调试后，控制系统全部完成后，真正理想的效果是，各个模块相互协调并稳定工作，能通过系统控制自动达到直立的效果，如果有适当干扰量引入，小车还可以自主恢复直立状态。同时控制系统还能够控制小车实现前进，后退等根本行动。关键词：双轮自平衡小车；MC9S12XS128芯片；PID控制算法；PWM控制AbstractIn recent years, with the rapid development of automotive technology, many new technologies emerged, including the two wheeled s
3、elf-balancing robot technology. This technology in many aspects have been reflected, in terms of transportation cast is particularly powerful role, its application has gradually penetrated into daily life, now common two wheeled self- balancing electric vehicle is the representative of the most comm
4、on. This paper focuses on the design scheme of two wheeled self-balanced vehicle with MC9S12XS128 chip as the main controller.Smart car uses Murata gyro ENC-03 and Freescale acceleration meter 7260 coordinated control, to achieve the goal of high precision angle and angle detecting car, feedback to
5、the MCU to control the car upright. At the same time, the intelligent vehicle control system uses PWM control technology to drive the motor running, control the car upright, and the PID control algorithm to achieve the best running state of the car. To correct software compiler, Download finished de
6、bugging, control system completed, is really the ideal effect, coordination and stable work of each module, through the control system automatically to erect the effect, if the introduction of appropriate amount of interference, the car can also to independent recovery of upright. At the same time c
7、ontrol system can control the car to achieve forward, back and other basic movements.Key words: Two wheeled self-balancing vehicle; MC9S12XS128 chip; PID control algorithm; PWM control目 录1 绪论11.1 课题的选题背景与意义11.2 双轮自平衡车国内外发展概况11.3 课题研究的主要内容22 智能车系统原理分析与设计32.1 控制系统原理分析32.2 控制系统总体设计方案42.3 双轮自平衡车的姿态检测系统5
8、2.3.1 加速度计62.3.2 陀螺仪62.3.3 卡尔曼滤波73 自平衡车系统硬件电路设计93.1 MC9S12XS128单片机介绍93.2 MC9S12XS128单片机最小系统电路设计113.3 电机驱动模块电路设计123.3.1 驱动芯片介绍133.3.2 驱动电路设计133.4 电源管理模块电路设计133.4.1 电源的分类143.4.2 双轮自平衡车电源电路设计143.5 倾角传感器电路设计153.5.1 加速度计电路设计153.5.2 陀螺仪放大电路设计153.6 速度测量模块设计163.7 辅助调试电路设计174 自平衡车系统软件设计194.1 系统软件总体结构194.2 基于
9、PID算法的实现204.2.1 PID分类204.2.2 比例积分微分各部分介绍204.2.3 PID参数的整定214.3 双轮自平衡车直立模块软件设计224.4 双轮自平衡车速度控制模块软件设计224.5 电机转速的控制245 自平衡车系统的安装与调试275.1 小车整体结构的安装275.1.1 速度传感器的安装285.1.2 倾角传感器和陀螺仪的安装285.2 系统的调试工具295.3 自平衡车系统的硬件调试305.3.1 加速度计和陀螺仪的调试305.3.2 电机驱动模块的调试305.3.3 速度编码器的调试315.4 自平衡车系统的静态调试315.5 自平衡车系统的动态调试316 总结
10、与展望336.1 总结336.2 展望33致 谢34参考文献35361 绪论1.1 课题的选题背景与意义近些年来随着我国科学技术的飞速进步，自动化技术也随之越来越普及，深入到人们的生活中，双轮自平衡小车便是一种高新技术的集成体。双轮自平衡小车是一个归纳着电子技术、机械、计算机等多门技术部分的高新技术手段，随着各有关领域范畴的飞快进步，它不单单拥有理论科学上的研究意义，甚至是代表着一个国家的综合科学实力。现代的工业汽车虽然相对的给人们带来了便利，但是也带来了交通拥堵，与大气污染方面的环境问题。与此同时，双轮自平衡小车利用自身电能来运行，并且体积轻小，运行自由，如果将此项技术广泛应用到生活中，势必
11、会极大的减轻交通负担，缓解人们的出行压力，同时也能起到保护环境，降低能源消耗的作用。双轮自平衡智能小车是可以进行行为控制、环境检测、执行任务的综合控制系统，应用范围也越来越广泛，随着技术的发展，机器人也会代替人类做一些不能代替的任务，在未来如果把双轮自平衡小车技术和传感器、GPS导航等设备组合在一起，使各自功能相互协调工作，应该会具有更广泛的应用前景，为人们的生活带来便利。1.2 双轮自平衡车国内外发展概况双轮自平衡小车技术近几年得到了快速的发展，国内外的相关专家与技术人员均为之付出了巨大的努力，研究成果也为科学的发展做出了相应的贡献。国外方面科研成果主要有瑞士联邦工业大学电子实验室的Feli
12、x Grasser等人设计出利用DSP控制方法，可以进行远程操控的双轮智能移动机器人Joe,它超越了人类步行的速度，并能自主保持稳定。同时还有Segway LLC开发了赛格威两轮自平衡机器人，本身使用的工作原理的动态的稳定性，通过车辆本身的自动平衡能力，来达到平衡稳定与行走。这其中最为先进的是，由谷歌的工程师塞巴斯蒂安还有他的团队共同设计制作出的，谷歌版的无人驾驶车。此项新型智能车，通过自身装备的激光雷达、车载相机还有激光测距仪，借用这些技术来观察周围交通车辆的行驶状况，并根据自身带有的车载地图来完成汽车的行驶，为人们的交通出行提供了便利。该项技术最重要的研究成果，便是为未来无人驾驶的车辆研究
13、做出了其重大的贡献，如何来提高运行质量以及降低事故发生率是要面对的棘手问题与挑战。中国也已经在两轮自平衡车的发展上取得了巨大的成就。哈尔滨工业大学采用DSP算法作为控制核心，利用PWM技术控制电动机转速，从而研究出可以实现自主平衡控制的双轮机器人，自身可以实现平衡控制与数据交换功能。另一著名高校西安交通大学，制作了一个把伺服放大器ADS当作控制器，同时选取自适应神经模糊控制器对小车进行控制，顺利完成能够直立的双轮自平衡小车。随着智能车技术的不断发展，我国也越来越重视相关方面的发展与教育，飞思卡尔杯全国大学生智能车竞赛便是其中重要的项目之一。Freescale杯智能汽车比赛,韩国是它的起源地，飞
14、思卡尔公司赞助了韩国的一些相关大学，从而顺利举行的大学生课外科技比赛。举办方会供应一个参考的汽车模型、以及直流电机和可充电的电池，参赛人员要求制作一个可能自主判别途径的智能车，在比赛专用计划的跑道上，能够自立辨认途径运动，最快跑完全程者而且没有发生失误的，综合技能报告评分较高的为获奖者。其涉及的内容涵盖了控制系统、汽车电子电路、虹膜识别、传感器原理、电气控制技术、计算机原理、机械制造设计、能源利用等许多方面技术的原理，并且对学生的实物技术与理论知识的结合，实践动手能力的培养，具有良好的推动与发展作用。此项赛事已经得到了越来越多高校的认可，近些年参赛高校与队伍日益增多，培养了大学生的创新意识与动
15、手操作能力，为广大高校提供了一个教育培养学生的平台，使学生可以学到更多的智能车的相关知识，为学生日后的发展与学习打下了良好的基础。1.3 课题研究的主要内容本课题要求制作策划出一个可以实现自主平衡的，智能双轮自平衡小车，我们以MC9S12XS128为主控制器，通过陀螺仪和加速度计测出角度，传感器将测得的角度值以数字信号传送到单片机上，同时利用PWM控制驱动电机，控制小车的运行。研究的主要内容包括：第一、控制电路设计，包括主控单元的电路设计，电源模块电路设计，电机驱动电路的电路设计，以及相关其他控制电路的设计。第二、控制系统设计，包括电源模块，速度倾角测量模块，还有其余的各种串口模块的设计。第三、PID控制算法，包含电机的速度闭环控制还有小车倾角的闭环控制。PID控制尽管是一种非常老练的工业控制方式，但是在智能汽车领域，还需要克服相关参数对控制器产生的干扰，亦然本研究中重点和难点。第四、小车的运行流程控制，通过软件编程正确编译控制程序，进行相关调试达到自主平衡，并稳定运行的效果。2 智能车系统原理分析与设计2.1 控制系统原理分析双轮自平衡小车的控制系统是经过负反馈原理达到既定目标的，基于车模本身机械机构的设置，小车依赖自身的车轮
