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1、西安科技大学“挑战杯”竞赛培育项目申请表项目名称两轮自平衡小车的设计申请经费3000 元项 目 组 成 员 基 本 情 况姓名专业及班级主要角色联系电话签名指导教师情况姓名职称讲师学历/学 位E-mail联系电 话专业特长姓名职称学历/学位E-mail联系电话专业特长一、申请理由(包括选题背景、意义，项目组成员已具备的知识条件、特长、兴趣等) 随着科学技术的不断发展更新，越来越多的技术走进了人们的日常生活中。两轮自平衡小 车的出现，由于其具有体积小巧、简单方便、运动自由且转弯半径小等特点为人们日常生 活中带来了许多的便利。同时也为移动机器人研究的方面开创了新的方向。与传统的移动 机器人相比，两
2、轮自平衡小车是一个两轮共轴、独立驱动且通过运动保持平衡的机器人设 备，同时可以直立运动，具有高平衡、跟踪、适应性强的优点，还可以自主躲避阻拦异物， 人们可以利用多种手段进行人机交互，具体有语音、网络、无线通讯等，两轮自平衡小车 的深入研究也会给更大民众带来更多便利，实现更多功能。两轮自平衡小车是一个集合运动控制、环境检测、远程遥控等多功能于一身的复杂系 统，设计关键是在基于两轮自平衡的基础，然后可以适应在各种复杂环境下的控制要求。 通过运用姿态传感可以实现小车的跟踪、路径规划和自主避障等多种复杂的功能。还可以 吧GPS和惯性导航设备配备到小车上实现组合导航。所以，两轮自平衡小车是一个操作起 来
3、相对简单但是自身复杂的系统，因为其学术意义的重要性，世界多数国家都高度关注。 正是有了这样的优点，两轮自平衡小车经过一定的改造就可以制造成军事机器人或者家用 机器人，具有着广阔的应用前景。两轮自平衡小车技术的发展迅速，有下面两个方面的原因：一是应用范围越加的广泛； 二是相关领域譬如计算机、传感器、控制算法以及执行等综合技术的快速发展应用。对于 目前两轮自平衡小车不少技术问题的提出，使得近几年来对两轮自平衡小车的研究越发变 得活跃起来。而国内相水平相对于国外而言还需要不断努力。项目组成员已熟练掌握stm32单片机基本原理、单片机编程、C语言、掌握基本电路 设计等内容，对所学专业具有较大的兴趣爱好
4、，具有创新精神，乐于挑战。、研究目标(所要达到的主要技术指标等)(1) 自主平衡；(2) 能够实现小车的前后正常运动；(3) 能够实现小车的左右转弯功能；(4) 可以通过蓝牙控制其前后左右移动；(5) 在小车倾斜角过大的情况下，能自动实现制动。三、项目方案(包括研究内容、研究方法、实验方案等)1研究内容PID控制是本设计的重点及难点。所以我们研究是内容为：(1) 两轮自平衡小车整体的设计：机械结构的设计、调整重心，使其在小车的正中、 电气系统设计以及软件算法的编写等；(2) 控制电路的设计：包括主控单元的电路设计、电机驱动的电路设计、电源模块电路 设计、传感器单元电路的设计；(3) 控制系统设
5、计：包括电源模块、速度倾角测量模块、还有各种串口模块的设计；(4) 卡尔曼滤波的数据融合：由于陀螺仪测量的角速度只在短时间内稳定而加速度传 感器的自身白噪声很严重，设计要求需要得到稳定的数据，因此设计卡尔曼滤波器以得到 准确稳定的角度和角速度；(5) PID控制算法：包括两路闭环控制。小车的倾角闭环控制以及直流电机的闭环速 度控制；(6) 软件算法的编程：两轮自平衡小车能正常运行控制，是在硬件要求的前提下，通 过正确的软件编程控制来实现的。进行相关调试达到自主平衡，达到设计要求。2研究方法在设计的硬件电路焊接完成后，对每个模块进行硬件测试，检测是否有短接、断路、 引脚焊错等等问题。在硬件调试中
6、，主要工具是万用表，通过使用万用表的测量检测，找 到系统设计中存在的问题，加以改正。系统软硬件功能的实现需经过不断的调试，硬件调 试是软件调试的基础，而软件调试又是整个系统设计的重中之重。本次设计采用C语言进 行编写调试，由于CPU只可执行机器码，因此需使用编译器将所编源程序转换为机器码， 在此使用Keil编译器对程序进行编译调试。3实验方案采用STM32F103单片机作为核心处理器。利用姿态传感器MPU6050进行车模姿态采 集，并将采集到的数据传送给单片机进行相应处理。使用功能强大的蓝牙遥控模块SPP-C 进行蓝牙遥控信号的接收处理，然后将信号传送给单片机进行遥控解码，并根据所解键码 值进
7、行相关操作。电机选用12V的直流电机，使用PWM方式对电机进行调速。由于两轮自平衡车与传统结构的小车不同，是一种本质不稳定的非线性系统。需要不 断调整自身角度，实现动态平衡。需要实时检测自身倾角，进行合理调整，从而实现动态 平衡，因而姿态检测成为控制小车直立平衡的关键。姿态检测需要进行数据融合获得最佳 的效果，所以数据融合是一个非常重要的步骤，常用数据融合方法有加权平均法、神经网 络法、互补滤波算法、卡尔曼滤波算法等。四、项目创新点、特色和解决的关键技术本项目设计的两轮自平衡小车须自主保持平衡，不同于一般平衡车需要手动控制。在平衡 的基础上能够进行前进，后退，左右转弯的运动控制。能够保证设计的
8、小车自平衡和控制 其运动归根于两个直流电机控制的车轮。在设计中，本系统的特色和创新点在三个控制方 面：(1) 小车的平衡控制：通过测量得出小车的实时倾角，做为系统的输入量，来控制两个 直流电机的迅速正反转以保持小车平衡。(2) 小车的速度控制：在小车平衡时，调节小车的倾角对速度的大小进行控制，从而改 变对两个电机的控制来实现速度的控制。(3) 小车的转向控制：通过控制改变两个电机的转速的差异来控制平衡小车的转向控 制。设计中关键技术也是在小车的平衡控制时，速度和方向的控制也必须达到平稳。这三 个任务中保证小车自主平衡是最关键。三个子系统都是对平衡小车的两个电机进行控制， 所以各个子系统存在着相
9、互耦合的关系。这三个任务中保证小车自主平衡是最关键。五、项目进度安須乍(资料查阅、实验方案制定、实验研究、实验数据分析、撰写研究论文 和总结报告、结题验收等)2016年5月：选题、查阅资料，确定小车基本功能和设计思路。2016年6月：申报项目。2016年7月-8月：作品制作，实验分析，实现基本功能。2016年9月：参加学校选拔比赛。2016年10月-2017年2月：完善作品，进行数据分析，调高作品的性能。2017年3月：撰写作品论文，进行作品总结。2017年4月：结题验收。六、项目实施已具备的条件（已有工作基础，现有主要仪器设备、人员情况等，对项目实 施可行性做出评价）我们以前做过关于智能小车
10、的项目，对小车的基本功能有一定了解；掌握stm32单片 机的基本外围电路、单片机编程、C语言、掌握基本电路设计和对PID调节系统的最佳参 数选取。我们团队现在已经有了一个平衡小车的基本模型，只需要在小车原有的基础上进 行模块增加和程序的编写，我们对所学专业具有较大的兴趣爱好，具有创新精神，乐于挑 战。相信我们团队四个人在分工合作下，会完成这次作品，并取得有优秀的成绩。七、预期成果（研究论文、申请专利、研制产品、项目鉴定等）1. 完成实物作品，并实现预期功能：（1）无人干预下可以自主平衡;（2）可以无线遥控实现小车的前后运动；（3）可以无线遥控实现小车的左右转弯；（4）在小车倾斜角过大的情况下，能自动关闭电机；（5）在小车倾斜角过大的情况下，能自动实现制动。2. 发表相关论文一篇。3. 申请专利。八、经费预算序号支出项目金额（元）1元器件购买5002产品模型搭建5003专利申请2000合计3000
