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1、常熟理工学院毕业设计（论文） 本科毕业设计（论文）题 目 两轮自平衡小车的设计 学 院 电气与自动化工程学院 年 级 专 业 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 职 称 论文提交日期 两轮自平衡小车的设计摘 要近年来，两轮自平衡车的研究与应用获得了迅猛发展。本文提出了一种两轮自平衡小车的设计方案，采用陀螺仪ENC-03以及MEMS加速度传感器MMA7260构成小车姿态检测装置，使用卡尔曼滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合。系统选用飞思卡尔16位单片机MC9S12XS128为控制核心，完成了传感器信号的处理，滤波算法的实现及车身控制，人机交互等。整个系统制作完成后，各个模块能够正常并协调
2、工作，小车可以在无人干预条件下实现自主平衡。同时在引入适量干扰情况下小车能够自主调整并迅速恢复稳定状态。小车还可以实现前进，后退，左右转等基本动作。关键词：两轮自平衡 陀螺仪 姿态检测 卡尔曼滤波 数据融合IIIDesign of Two-Wheel Self-Balance VehicleAbstractIn recent years, the research and application of two-wheel self-balanced vehicle have obtained rapid development. This paper presents a design sch
3、eme of two-wheel self-balanced vehicle. Gyroscope ENC-03 and MEMS accelerometer MMA7260 constitute vehicle posture detection device. System adopts Kalman filter to complete the gyroscope data and accelerometer data fusion.，and adopts freescale16-bit microcontroller-MC9S12XS128 as controller core. Th
4、e center controller realizes the sensor signal processing the sensor signal processing, filtering algorithm and body control, human-machine interaction and so on.Upon completion of the entire system, each module can be normal and to coordinate work. The vehicle can keep balancing in unmanned conditi
5、on. At the same time, the vehicle can be adjusted independently then quickly restore stability when there is a moderate amount of interference. In addition, the vehicle also can achieve forward, backward, left and right turn and other basic movements.Key Words: Two-Wheel Self-Balance; Gyroscope; Ges
6、ture detection; Kalman filter; Data fusion目 录1.绪论11.1研究背景与意义11.2两轮自平衡车的关键技术21.2.1系统设计21.2.2数学建模21.2.3姿态检测系统21.2.4控制算法31.3本文主要研究目标与内容31.4论文章节安排32.系统原理分析52.1控制系统要求分析52.2平衡控制原理分析52.3自平衡小车数学模型62.3.1两轮自平衡小车受力分析62.3.2自平衡小车运动微分方程92.4 PID控制器设计102.4.1 PID控制器原理102.4.2 PID控制器设计112.5姿态检测系统122.5.1陀螺仪122.5.2加速度计1
7、32.5.3基于卡尔曼滤波的数据融合142.6本章小结163.系统硬件电路设计173.1 MC9SXS128单片机介绍173.2单片机最小系统设计193.3 电源管理模块设计213.4倾角传感器信号调理电路223.4.1加速度计电路设计223.4.2陀螺仪放大电路设计223.5电机驱动电路设计233.5.1驱动芯片介绍243.5.2 驱动电路设计243.6速度检测模块设计253.6.1编码器介绍253.6.2 编码器电路设计263.7辅助调试电路273.8本章小结274.系统软件设计284.1软件系统总体结构284.2单片机初始化软件设计284.2.1锁相环初始化284.2.2模数转换模块（A
8、TD）初始化294.2.3串行通信模块（SCI）初始化设置304.2.4测速模块初始化314.2.5 PWM模块初始化324.3姿态检测系统软件设计324.3.1陀螺仪与加速度计输出值转换324.3.2卡尔曼滤波器的软件实现344.4平衡PID控制软件实现354.5两轮自平衡车的运动控制374.6本章小结395. 系统调试405.1系统调试工具405.2系统硬件电路调试405.3姿态检测系统调试415.4控制系统PID参数整定445.5两轮自平衡小车动态调试445.6本章小结456. 总结与展望466.1 总结466.2 展望46参考文献47附 录48附录一 系统电路原理图48附录二 系统核心
9、源代码49致谢52常熟理工学院毕业设计（论文）1.绪论1.1研究背景与意义近年来，随着电子技术的发展与进步，移动机器人的研究不断深入，成为目前科学研究最活跃的领域之一，移动机器人的应用范围越来越广泛，面临的环境和任务也越来越复杂，这就要求移动机器人必须能够适应一些复杂的环境和任务。比如，户外移动机器人需要在凹凸不平的地面上行走，有时环境中能够允许机器人运行的地方比较狭窄等。如何解决机器人在这些环境中运行的问题，逐渐成为研究者关心的问题。两轮自平衡机器人的概念正是在这样一个背景下提出来的，这种机器人区别于其他移动机器人的最显著的特点是：采用了两轮共轴、各自独立驱动的工作方式(这种驱动方式又被称为
10、差分式驱动方式)，车身的重心位于车轮轴的上方，通过轮子的前后移动来保持车身的平衡，并且还能够在直立平衡的情况下行驶。由于特殊的结构，其适应地形变化能力强，运动灵活，可以胜任一些复杂环境里的工作。两轮自平衡机器人自面世以来，一直受到世界各国机器人爱好者和研究者的关注，这不仅是因为两轮自平衡机器人具有独特的外形和结构，更重要的是因为其自身的本质不稳定性和非线性使它成为很好的验证控制理论和控制方法的平台，具有很高的研究价值。早在1987年，日本电信大学教授山藤一雄就提出了两轮自平衡机器人的概念。这个基本的概念就是用数字处理器来侦测平衡的改变，然后以平行的双轮来保持机器的平稳12。本世纪初瑞士联邦工业
11、大学的Joe、美国的SegwayN等两轮自平衡机器人相继问世，世界各国越来越多的机器人爱好者和研究者开始关注两轮自平衡机器人。美国发明家狄恩卡门与他的DEKA研发公司研发出了可以用于载人的两轮自平衡车命名为赛格威，并已投入市场。由于两轮自平衡车有着活动灵便，环境无害等优点，其被广泛应用于各类高规格社会活动，目前该车已用于奥运会以及世博会等大型场合。当今唯一市场化的两轮自平衡电动车，如图1-1所示，在2002年上市以来就备受各界的关注。卡门观察人类走路的姿势特性，领悟到其实人类之所以可以平稳地直立行走，是因为体内灵敏的平衡器官可以精确地判断出身体重心的改变量，透过小脑的即时反应，然后利用腿部的肌
12、肉即时出力来平衡倾倒的态势。所以当人类的身体前倾时，这种不自主的反应会促使人类伸出其中的一只脚往前走来平衡身体，所以透过这种前倾、往前踏脚、前倾、往前踏脚的动作循环，即构成了“步行”这种动作。因此卡门尝试使用精密的陀螺仪来代替人类的前庭与耳蜗等平衡器官，以电动马达与车轮代替人类的双脚，发展出所谓的“动态稳定概念3。图1-1 Segway两轮自平衡车1.2两轮自平衡车的关键技术1.2.1系统设计两轮自平衡车的系统设计包括：车身机械结构设计，硬件系统设计和软件系统设计。在机械结构上保持小车重心的稳定性，才能减少控制系统由于车身机械结构的不合理性而造成的控制复杂化；硬件系统必须包含自平衡车所需的所有
13、电子系统与电气设备；软件系统则具体负责车身平衡控制。1.2.2数学建模系统模型的建立，有助于控制器设计，以及控制系统各项参数的确定。系统数学模型建立的重点在于动力学方面，主要采用拉格朗日动力学方程以及牛顿力学定律的方法。然而通常的动力学建模方法没有考虑电机转动，车身震动对模型的影响。并且两轮子平衡车是本质不稳定的非线性系统，因此建模必须考虑线性化问题。1.2.3姿态检测系统两轮子平衡车通过姿态检测系统来实时检测车身姿态及运动状态，并根据姿态信息对小车进行控制。因此，对于两轮自平衡车来说，能够精确并稳定的检测当前车身倾角，是实现有效控制的关键所在。目前有多重技术可以实现倾角检测，但是实时性，经济
14、性还不够理想。采用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)陀螺仪和加速度计等惯性传感器构成的姿态检测系统可以实时、准确的检测两轮自平衡车的倾角。但是由于惯性传感器自身固有特性，随着温度，震动等外界变化，会产生不同程度的漂移与噪声，因此必须使用一些滤波算法，对陀螺仪和加速度计采集的数据进行融合，使测量角度更加真实稳定。1.2.4控制算法两轮自平衡车属于本质不稳定系统，因此其实现的平衡是一种动态平衡。在遇到外界干扰如何快速恢复，保持自平衡等问题是控制算法需要考虑的问题。传统的PID控制在各类工业场合有着广泛的应用，完全可以满足两轮自平衡车的控制系统要求。当然，也可以采用各类先进的控制算法，诸如基于状态空间的LQR（最优控制）、模糊控制、神经网络等4。1.3本文主要研究目标与内容本课题设计了一款两轮自平衡小车，研究了车身姿态检测中陀螺仪与加速度传感器的互补特性，并根据其特性比较并设计滤波算法，包括卡尔曼滤波，互补滤波等常用滤波算法。PID控制算法的实现以及直流电机调速的研究。具体包括：(1) 机器人本体设计：包括机械，重心调整，电气系统设计等，为进一步研究提供良好的平台；(2) 信号调理及控制部分电路设计：陀螺仪输出信号需要经过进一步滤波放大，因此需要设计信号调理电路，同时控
