基于KEA128的电磁感应平衡车软件系统设计摘 要近十年来，一种特殊的运动工具逐渐得到重视和多领域的应用，即两轮自平衡车两轮平衡车以电能为动力，结构轻盈小巧，能耗低效率高，能够代替传统的汽油运输工具，减小环境污染同时，相较于普通汽车，两轮平衡车无刹车系统和特殊的转向结构，平衡车只需改变系统的重心和两轮速度差就能实现刹车和转向功能两轮平衡车系统有着非线性，强耦合不稳定的特点，众多国内外研究人员都以此模型来研究控制策略通过近几年的研究，已经出现了各种性能优秀的控制算法；本文设计了一种基于KEA128芯片的两轮平衡车系统，所需的外设包括了MMA7361CL加速度计，ENC -3MB+ LPR550陀螺仪，10mH电磁线圈和欧姆龙两相编码器；编码器用于获取小车车速以实现小车电机的闭环控制，加速度计和陀螺仪用于融合小车姿态角，利用电磁线圈检测道路磁场变化信息本设计在直立平衡控制用到了清华的滤波方案融合小车实时的姿态角，同时在小车直立，调速和巡线的控制上使用了PID控制算法，以完善小车的动态性能关键词：KEA128；两轮平衡；软件设计；磁场检测；加速度计；陀螺仪；姿态角融合； Design of electromagnetic induction balancing vehicle software system based on KEA128AbstractIn the past decade, a special auto has been paid more and more attention and applied in many fields, two-wheeled self -balancing vehicle. The two-wheeled self -balancing vehicle is powered by electric energy, with light and compact mechanical structure and high energy consumption efficiency. It can decrease environmental pollution and take the place of the traditional gasoline automations. Meanwhile, compared with ordinary automations, the two-wheeled self -balancing vehicle has no brake system and special steering mechanism. The two-wheeled self -balancing vehicle only needs to change the center of gravity of the system and the difference of the speed between the two wheels to achieve the brake and steering functions.The two-wheeled balancing vehicle system is typical of nonlinearity and strong coupling instability. Many researchers use this model to develop the control strategy. Through the research the research of many scholars in recent years, there have been various excellent control algorithms in related fields. this paper designs a two-wheeled balancing vehicle system based on a chip called KEA128, the required peripherals include accelerometers, gyroscopes, electromagnetic coils and encoders. Accelerometers and gyroscopes are used to figure out the mechanical angle of the vehicle, the electromagnetic coils detect the road information, and the encoders are used to obtain the vehicle speed in order to complete the closed-loop control of the trolley motor. The filter scheme of Tsinghua University is used in the vertical balance control to integrate the real-time angle of the vertical, and PID control algorithm is used in the vertical, speed regulation and line patrol control of the car in order to improve the dynamic performance of the system.Keywords: KEA128; two-wheeled of balance; software design; Magnetic field detection; Accelerometer; gyroscope;目 录 第1章 绪论 71.1本设计的目的、意义及应达到的技术要求 71.2本设计在国内外的发展概况及存在的问题 71.3本设计应解决的主要问题 81.4总设计方案 8第2章 两轮平衡车受力分析及平衡条件 102.1两轮平衡车入门之倒立摆模型 102.1.1经典倒立摆模型原理 102.2两轮平衡车模型 112.2.1两轮车平衡车受力分析及平衡条件 112.2.2两轮平衡车的调速及转向原理 12第3章 两轮车平衡车各部件准备 133.1主控设计 133.2角度测量系统 143.3电感反馈系统 153.4电机闭环控制系统 173.5用户交互界面 17第4章 两轮平衡车的软件设计 184.1两轮车的直立控制 184.1.1车身姿态角的融合 184.1.2小车PD控制器实现直立平衡 184.2两轮车的速度闭环控制 184.3两轮车的转向环控制 184.4 两轮车整体性能的调试 184.4.1 PID 控制器参数的整定 18第5章 总结 18参考文献 19谢 辞 21附 录 22第1章 绪论两轮平衡车作为一种特殊车型的移动机器，在近几年的发展中应用已愈加广泛。
特别是在地形复杂的地形中，两轮平衡车能够凭借其独特的灵活性和自适应性等优点，能够代替传统四轮车完成作业任务本文阐述了如何通过动力学受力分析，并在硬件基础上设计出一套基本的软件系统，由此建立可对两轮平衡车实现平衡，控速，转向等控制的稳定系统1.1本设计的目的、意义及应达到的技术要求两轮平衡车衍生于单级倒立摆系统模型，而比起传统的倒立摆型性能更加优越，能够轻易适应各种复杂地形，例如泥泞道路，路面凹陷不平整等特殊地形并且两轮平衡车以电能为动力，结构轻盈小巧，能耗低效率高，能够代替传统的汽油运输工具，减小环境污染同时，两轮平衡车操作简单灵活，相较于普通汽车，两轮平衡车无刹车系统和特殊的转向结构，平衡车只需改变系统的重心和两轮速度差就能实现刹车和转向功能由于上述优点，因此两轮平衡车适用场景十分广泛本设计用KEA128系列单片机作为为控制核心，辅以加速度计、陀螺仪、编码器以及工型电感等传感器车模姿态的测量以及道路信息的识别；根据采集信息，结合清华滤波算法以及直立环、速度、方向等负反馈PID闭环控制，以使电磁平衡车保持稳定直立状态和自主循迹1.2本设计在国内外的发展概况及存在的问题日本电机工程与通信大学的Kazuo教授在1986年提出了一种平行双轮车并为此申请了专利，但是由于当时传感器技术和计算机技术技术不够发达，虽然这种小车在两轮中间设置了一个小杠杆，并利用这个小杠杆与地面的接触可以推算出整个车身的倾斜角度，但这种平行双轮车平衡效果仍然差强人意，所以导致这种自平衡技术并没有受到广泛的关注。
但到了2002年，一种名为“Joe”两轮平衡电动车被瑞士联邦工业大学的 Grasser教授研制出来，这种平衡电动车此时已经利用了陀螺仪和倾角计来计算车身倾角，此次两轮平衡车研制的成功让人们开始对自平衡技术产生兴趣并开始重视这方面的研究同样的，在2002年，美国的Segway LLC 公司设计开发了世界上第一部二轮自平衡车，一款名叫“Segway HT”诞生了从机械结构上来看，Segway HT主要由一个脚踏板，两个车轮和一竖直车杆组成，是现如今市面上常见的平衡代步车的原型Segway HT在运动中通过倾角检测模块实时检测车体倾斜角，并将车体倾斜角数据交由控制器处理，控制器由此通过控制算法输出一个合适的电机转矩信号，将这个转矩信号输入给电机，可以使电机产生一定的转矩，从而控制两个车轮实现前进，转弯和后退等功能至今，许多平衡车还沿用着Segway HT的许多设计在Segway HT面世后，国内两轮平衡车的研究也十分热门，很多科研机构也早在2003年就开始投入到了两轮平衡车的研究当中，并取得了一定的研究成果2003年，一款名为“Free Mover”的二轮自平衡电动车由中国科学技术大学研制出来，而Free Mover在结构上也是由一个连接在车身的连杆和两个车轮组成，车体的前进转弯等操作可以由驾驶者通过改变重心来控制。
而在此之后，哈尔滨工程大学，西安电子科技大学，清华大学等多所国内高校也相继开始两轮平衡车的研究，其中，清华大学的宋宇宁等研发的Cheway在结构上虽然与Segway HT类似，但是Cheway能在下坡时将能量进行转化，为电池充电，使得Cheway续航能力得到了提高，同时，Cheway的成本也远远低于Segway HT目前已经有许多商用的两轮平衡代步车已经进入了市场，成为人们解决日常通勤最后一公里的代步工具两轮平衡车不管在工业用途还是在商用方面都有着宽阔的应用前景和市场1.3本设计应解决的主要问题目前，影响两轮平衡车性能的因素主要有三个：a、 针对两轮自平衡小车，用牛顿经典力学的分析方法进行了建立数学模型；车身的机械零点，重心以及电磁感应前瞻的长度以及安装位置都在小车平衡控制中尤为重要，因此需要根据实际情况设计机械机构，并在此基础上建立数学模型b、 两轮平衡车的自平衡控制是需要通过加速度计，陀螺仪等传感器实时检测车身姿态以及运动状态，因此稳定且精准的检测车身倾角是实现稳定控制的关键c、 对已经建立的两轮平衡车系统模型进行分析，采用自动控制原理中高阶系统的动态性能分析法设计PID闭环控制器，以达到对系统的动态控制。
d、 两轮自平衡系统本身属于不稳定系统，因此控制这种自平衡要用上动态控制在动态控制中PID控制应用十分广泛，有着极强的稳定性和动态特性，适用于两轮平衡车系统的控制要求系统中用到的PID控制器的参数调试整定，以使系统具有优秀的稳定性和动态特性e、 用由10mh工字型电感组成的电磁感应线圈，感应周围电磁场以此确定道路的走向和两轮车相对于道路的。