基于单片机的两轮自平衡小车的研究与设计.docx

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1、基于单片机的两轮自平衡小车的研究与设计摘要现如今，两轮自平衡车的发展和应用越来越广泛，而且逐步成为人们的一种非常便捷的代步交通工具，在一些其他的领域也有较好的应用前景。因此，对于两轮自平衡小车的研究具有非常重要的意义。本论文介绍了基于单片机的两轮自平衡小车的研究与设计。用单片机作为中央处理器，利用MPU-6050作为两轮自平衡小车的姿态传感器来获得小车的倾角和加速度，利用编码器来获得小车的速度，将所获得的这些数据经过单片机的软件PID算法处理，最后由单片机实现对小车的电机进行PWM控制，实现对两轮自平衡小车的直立和平衡控制。关键词：单片机，姿态传感器，PID,PWM控制Researchandd

2、esignoftwowhee1se1fba1ancedvehic1ebasedonsing1echipmicrocomputerAbstractNow,thedeve1opmentandapp1icationoftwowhee1edse1fba1ancedvehic1eismoreandmorewide1y,andgradua11ybecomeaveryconvenientmeansoftransportation,insomeotherareasa1sohavegoodapp1icationprospects.Therefore,theresearchontwowhee1edse1fba1a

3、ncedvehic1ehasveryimportantsignificance.Thispaperintroducestheresearchanddesignofatwowhee1se1fba1ancingcarbasedonsing1echipmicrocomputer.Withsing1echipmicrocomputerasthecentra1processor,theMPU-6050asatwowhee1se1fba1ancingvehic1eattitudesensortoobtaintheinc1inationandtheacce1erationofthecarandusethee

4、ncodertogetthecarspeed,wi11receivethedatathroughthesoftwareofSCMPIDa1gorithmprocessing,fina11ybytheMCUtoachievethemotorofthecarcarryingoutPWMcontro1,toachievetheba1anceofthecaruprightandba1ancecontro1oftwowhee1edse1f.Keywords：Sing1echipmicrocomputer,attitudesensor,PID,PWMcontro1AbstractII第1章绪论-1-1.1

5、 论文研究的背景及意义-1-1.2 国内和国外的研究现状-1-第2章系统设计原理分析-3-2.1 平衡控制原理分析-3-2.2 两轮平衡小车数学建模-3-2.2.1 模型假设和符号说明-3-2.2.2 基于倒立摆系统的平衡车受力分析-4-2.2.3 自平衡车数学模型建立-7-第3章系统硬件设计原理-11-3.1 控制模块-11-3.2 电源模块-12-3.2.1 3.3V稳压模块-12-3.2.2 5V稳压模块-13-3.3 姿态传感器电路-13-3.4 电机驱动电路设计-14-3.5 速度检测模块-15-3.6 蓝牙模块-16-3.7 总电路图-18-第4章系统软件设计原理-19-4.1 软

6、件设计的功能和框架-19-4.2 主要算法及实现-20-4.2.1 PID控制理论-20-4.2.2 PD控制流程图-21-4.2.3 滤波原理-22-4.3 软件调试-22-第5章总结与展望-24-5.1 总结-24-5.2 展望-24-参考文献25致谢26附录127附录228I1第1章绪论1.1 论文研究的背景及意义近些年来，对于两轮自平衡小车的研究开始在美国、德国等国广泛开展。建立一些模型，提出来许多控制的方案。通过对两轮自平衡系统的优化，可应用到不同领域当中去，例如运输、交通等。这使得两轮自平衡小车有着很广阔的市场前景，如今有很多公司推出了商业化产品，并开始运营。两轮自平衡小车两轮共轴

7、、独立驱动、车身重心位于车轮轴上方，通过运动保持平衡，能够直立运动。由于两轮自平衡小车自身特别的结构，让它对于地形变化有很强的适应能力和良好的运动性能，能够在比较复杂的环境里面的工作，和传统机器人相比较，两轮自平衡小车有着以下的几个优点：(1)可以在原地任意角度旋转(2)占据空间小(3)车的结构上有很大的简化，可以把车做的更轻更小。(4)有着较小的驱动功率，能够让电池长时间供电，为环保型轻车提供了一种新的概念。(5)重心的高度对小车运动和硬件设计的限制小。(7)消耗的功率小，可工作时间长1.2 国内和国外的研究现状在1986年，日本大学教授山藤高桥最早提出了两轮自平衡机器人的概念，并制造了一个

8、在导轨上的两轮机器人。这个的基本原理是用数字处理器来处理平衡的改变，然后以平行的双轮来保持机器的平稳。这款机器人开创了两轮自平衡机器人研究的先河。美国SegWay11C公司开发的两轮电动车把人们从传统的“三点平衡”和低重心的设计来避免倾斜的束缚中解脱出来，通过测量车体的角度和角速度。用合适的回复转矩来避免摔倒。系统使用5个陀螺仪、2个角度传感器、编码器和一世光学脚垫传感器把系统的信息发送给控制器，再经过运算确定输入给电机的能量大小。近些年来，两轮自平衡机器人引起国内外许多研究机构和机器人爱好者的关注，出现了许多的设计方案。在这方面国外的研究比较超前，研制出了一些具有代表性的机器人，国内基本上处

9、于理论研究与实践的初期，只开发出了少数的实验原型机。两轮自平衡机器人是将倒立摆原理移植到移动机器人上。关于倒立摆的研究多年来国内外己经非常成熟，相关的资料也有很多。以上是国内外两轮自平衡小车的研窕现状，这些小车都对本论文的研究提供了很好的指导作用。第2章系统设计原理分析2.1 平衡控制原理分析两轮自平衡小车的控制原理其实和现实中人控制木棒直立相似的。这实际上这就是控制系统中的负反馈机制，如图2.1所示。I状态观测I图2.1保持木棍直立的负反馈系统两轮自平衡小车的控制也是通过负反馈来实现的。小车上装载的姿态检测传感器能够对小车的倾斜状况进行检测，通过处理器控制车轮转动，抵消在这个维度上的倾斜力矩

10、便可以保持小车平衡，如图2.2所示。晌进（纠正前修图2.2动态平衡2.2 两轮平衡小车数学建模2.2.1 模型假设和符号说明平衡车在运行过程中，在不考虑转向的情况下，基本上是沿着一个固定的轴做直线运动，所以，平衡车的运动可以理解为在竖直二维平面上的一种运动，该运动形式的基本组成包含了车体前后移动与车体本身绕着电机轴径的转动两种运行状态，并且这两种运行状态之前有着紧密的耦合关系。因此，对于若要从数学模型的角度定量的分析平衡车的动力学原理，则需要对根据平衡车的基本运动特点对所研究的问题进行合理的假设与简化。模型假设一:不考虑两轮自平衡车的转向，其运动为沿着y轴在yoz平面上的运动，其转动轴沿着X轴

11、。如图2.3所示。图2.3模型假设一模型假设二：由于倒立摆系统是非惯性系的运动系统，其本身就具有不稳定特性。因此，在分析平衡车的数学模型时，为了简化计算，假设其所受到的外部干扰作用方向垂直于车体的转动半径。模型假设三：平衡车的初始状态，其轮子的加速度为0。车体倾角为0。表27符号说明符号定义m单摆/倒立摆质量M车体质量车体切向合力A车体切向合加速度f阻尼力2.2.2 基于倒立摆系统的平衡车受力分析在前文的介绍中可知，两轮自平衡车的受力形式与牛顿力学中的倒立摆系统是相似的。所以，结合倒立摆的相关知识，在对平衡车进行建模之前，首先从静态的受力分析角度对其进行分析。对于常规的单摆运动来说，最终都能在

12、竖直方向上达到稳定。能够使单摆最终能够稳定的原因就是单摆运动时所受到的回复力与单摆的位移在任意时刻都是相反的，这就导致了单摆无法在产生摆动角度的时候保持稳定状态。如图2.4所示。那么，从运动位移与回复力的关系入手，把单摆倒置形成倒立摆，质心的受力情况则变成了图2.5所示的情况。图2.4单摆的受力分析图2.5倒立摆的受力分析由图2-5的受力分析可以看出，倒立摆的回复力与位移始终保持同方向，因此，倒立摆没有办法实现自主的稳定。在此基础上深入分析可知，如果想让倒立摆保持稳定，在重力无法改变的前提下，我们只需要加入一个力，使其受到的合力符合单摆模型的受力特点，即可使倒立摆实现稳定。结合平两轮自衡小车的

13、自身结构可知，两轮平衡小车相对于倒立摆不同的地方在于，平衡小车的底端是可移动的轮轴。因此，让平衡车的轮子产生某一方向的加速度，选取车身轮轴的连接点为研究对象，使平衡车构成一个非惯性系，那么对于车体本身来说，即受到一个非惯性力的作用，这个力的方向与倒立摆的回复力的方向相反。在此基础上再次对平衡车进行受力分析，加入车轮加速度之后的受力情况如图2.6所示。图2.6增加平衡力之后的受力分析此时，倒立摆所受到的回复力为：犷=-gm夕-MaCOS8（24）对（21）进一步分析，我们可以假设在小角度范围内，电机提供的力正比于车体倾角，其比例系数为。由此线性关系，结合工程学的小角近似，可以得到关于回复力加速度

14、与电机提供的加速度的比例系数之间的关系：a=（g-4）8（2.2）分析（22）的式子，可以很轻易的知道，要想让平衡车稳定，电机需要提供一个加速度，并且其加速度与车身倾斜角度的比值必须大于重力加速度。这样,车身回复力的方向便可以与其产生的位移反向，形成单摆的受力形式。即实现了倒立摆运动到单摆运动的转化。通过上述分析，从理论上已经确定了控制车体平衡的相关变量。但是实际运行中，单摆恢复平衡状态过程中还会受到阻尼力的作用，使系统的稳定时间较短。打到稳定的速度更快。实际运行时，阻尼力可以来自于空气阻力，摩擦阻力等等。但是对于自平衡车这种倒立摆系统，这些自然存在的阻尼力还不足以实现让其快速稳定的效果，因此

15、，在无阻尼的平衡过程中，车体将会产生大幅度的摆动现象。为了消除这一现象，在（2-1）的基础上，人为增加阻尼力来提高稳定的快速性。增加阻尼力之后的受力情况如图2.70sind图2.7增加阻尼力之后的受力分析通过受力分析可得，此时回复力为：(2-3)=Aigsin-facos-f同样的，为了突出主要影响因素，忽略次要因素，简化分析过程，从而假设阻尼力与其角速度的关系成正比，即：(2-4)至此，可得车体回复力所产生的加速度的完整表达式:(2-5)A=(g-1)+2f分析（25）可以知道，若要想让平衡车保持自稳定，需要4g.,同时42Vo2.2.3 自平衡车数学模型建立考虑到小车倾斜时，是一个在小范围内动态的转动过程，因此，用物理学中的刚体旋转的相关物理量去描述平衡车的动态过程。通过上文的分析，可以知道倒立摆系统的回复力产生的回复加速度应为重力沿着车体旋转路径的切向分量叠加上车轮加速产生的非惯性力，并且再叠加上系统的阻尼力。因此，仍然从这一受力关系上入手，建立总的切向加速度与各个分量加速度之间的关系。引理切向加速度等于角加速度乘以曲率半径。建立平衡车运动时的动态数学模