燕山大学课程设计说明书题目：双轮自平衡小车机器人系统设计与制作学院（系）：机械工程学院年级专业：12级机械电子工程组号：3学生：指导教师：史艳国建涛艳文史小华庆玲唐艳华富娟晓飞正操胡浩波日期： 2015.11燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：机械工程学院基层教学单位：机械电子工程系摘要两轮自平衡小车是一种非线性、多变量、强耦合、参数不确定的复杂系统，他体积小、结构简单、运动灵活，适合在狭小空间工作，是检验各种控制方法的一个理想装置，受到广大研究人员的重视，成为具有挑战性的课题之一。
两轮自平衡小车系统是一种两轮左右并行布置的系统。
像传统的倒立一样，其工作原理是依靠倾角传感器所检测的位姿和状态变化率结合控制算法来维持自身平衡。
本设计通过对倒立摆进行动力学建模，类比得到小车平衡的条件。
从加速度计和陀螺仪传感器得出的角度。
运用卡尔曼滤波优化，补偿陀螺仪的漂移误差和加速度计的动态误差，得到更优的倾角近似值。
通过光电编码器分别得到车子的线速度和转向角速度，对速度进行PI控制。
根据PID控制调节参数，实现两轮直立行走。
通过调节左右两轮的差速实现小车的转向。
制作完成后，小车实现了在无线蓝牙通讯下前进、后退、和左右转向的基本动作。
此外小车能在正常条件下达到自主平衡状态。
并且在适量干扰下，小车能够自主调整并迅速恢复稳定状态。
关键词：自平衡陀螺仪控制调试前言移动机器人是机器人学的一个重要分支，对于移动机器人的研究，包括轮式、腿式、履带式以及水下式机器人等，可以追溯到20世纪60年代。
移动机器人得到快速发展有两方面原因：一是其应用围越来越广泛；二是相关领域如计算、传感、控制及执行等技术的快速发展。
移动机器人尚有不少技术问题有待解决，因此近几年对移动机器人的研究相当活跃。
近年来，随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，所面临的环境和任务也越来越复杂。
机器人经常会遇到一些比较狭窄，而且有很多大转角的工作场合，如何在这样比较复杂的环境中灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。
双轮自平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的。
两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器人，是一种多变量、非线性、强耦合的系统，是检验各种控制方法的典型装置。
同时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。
因为它既有理论研究意义又有实用价值，所以两轮自平衡小车的研究在最近十年引起了大量机器人技术实验室的广泛关注。
本论文主要叙述了基于stm32控制的两轮自平衡小车的设计与实现的整个过程。
主要容为两轮自平衡小车的平衡原理，直立控制，速度控制，转向控制及系统定位算法的设计。
通过此设计使小车具备一定的自平衡能力、负载承载能力、速度调节能力和无线通讯功能。
小车能够自动检测自身机械系统的倾角并完成姿态的调整，并在加载一定重量的重物时能够快速做出调整并保证自身系统的自我平衡。
能够以不同运动速度实现双轮车系统的前进、后退、左转与右转等动作，同时也能够实现双轮自平衡车系统的无线远程控制操作目录摘要 (I)前言 (II)第1章项目任务 (1)1.1 项目概述 (1)1.2 项目容 (2)1.3 预期结果 (2)第2章方案设计 (2)2.1 芯片的选择 (2)2.2 电机驱动的选择 (2)2.3 陀螺仪的选择 (3)第3章平衡车控制原理 (4)3.1 控制系统要求分析 (4)3.2 平衡控制原理 (5)3.3 平衡车数学模型 (5)3.4 PID控制原理 (9)3.5 PWM调速原理 (10)第4章硬件设计 (11)4.1 电路原理图 (11)4.2 芯片的电路设计 (11)4.3 电机驱动的电路设计 (12)4.4 陀螺仪的电路设计 (13)4.5 编码器的电路设计 (14)第5章平衡车结构设计 (15)5.1 元件清单及成本 (15)5.2 三维建模 (16)第6章软件设计 (18)6.1 程序框图 (18)6.2 源代码 (18)第7章实验测试 (19)7.1 keil软件简介 (19)7.2 测试过程及结果 (19)7.3 最终实物图 (20)第8章市场前景调查分析 (21)结论 (22)心得体会 (23)参考文献 (24)致 (25)附录1 (26)第1章项目任务1.1项目概述移动机器人是机器人学的一个重要分支，对于移动机器人的研究，包括轮式、腿式、履带式以及水下式机器人等，可以追溯到20世纪60年代。
移动机器人得到快速发展有两方面原因：一是其应用围越来越广泛；二是相关领域如计算、传感、控制及执行等技术的快速发展。
移动机器人尚有不少技术问题有待解决，因此近几年对移动机器人的研究相当活跃。
近年来，随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，所面临的环境和任务也越来越复杂。
机器人经常会遇到一些比较狭窄，而且有很多大转角的工作场合，如何在这样比较复杂的环境中灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。
双轮自平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的。
两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器人，是一种多变量、非线性、强耦合的系统，是检验各种控制方法的典型装置。
同时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。
因为它既有理论研究意义又有实用价值，所以两轮自平衡小车的研究在最近十年引起了大量机器人技术实验室的广泛关注。
本文是对本质不稳定两轮小车自平衡控制问题的研究。
并通过无线蓝牙远程控制小车前进、后退、和左右转向等基本动作。
1.2项目容（1）设计两轮自平衡小车驱动电路。
选择合适的电机、传感器和微控制单元并合理设计相应的外围电路，最终完成两轮自平衡小车系统的硬件设计。
（2）完成驱动板的调试。
通过对驱动触发脉冲、D/A输出以及电机空载进行实验，从功能上验证了其驱动板基本能够满足系统的要求。
（3）处理传感器数据。
选用惯性导航器件陀螺仪和加速度计，详细分析两者的工作原理和各自单独使用所存在的问题。
（4）研究自平衡小车的控制策略。
最终实现平衡车的左转、右转、前进、后退等功能。
1.3预期结果（1）具备一定的自平衡能力，自动检测自身机械系统的倾角并完成姿态的调整；（2）具备一定的负载承载能力，在加载一定重量的重物时能够快速做出调整并保证自身系统的自我平衡；（3）具备速度调节能力，能够以不同运动速度实现双轮车系统的前进、后退、左转与右转等动作；（4）具备无线通讯功能，能够实现双轮自平衡车系统的无线远程控制操作。
第2章方案设计2.1 主控芯片的选择STM32单片机作为主控芯片。
此芯片是以ARM的Cortex-M系列为核的单片机，相对其他单片机，外设丰富，主频高，价格便宜，有专门的软件库，操作简单，调试方便，低功耗。
强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。
2.2 电机驱动的选择TB6612FNG是东芝半导体公司生产的一款直流电机驱动器件，它具有大电流MOSFET-H桥结构，双通道电路输出，可同时驱动2个电机。
TB6612FNG每通道输出最高1.2 A的连续驱动电流，启动峰值电流达2A/3.2 A(连续脉冲/单脉冲);4种电机控制模式：正转/反转/制动/停止;PWM支持频率高达100 kHz;待机状态;片低压检测电路与热停机保护电路;工作温度：-20～85℃;SSOP24小型贴片封装。
TB6612FNG的主要引脚功能（如图2.2.1）：AINl/AIN2、BIN1/BIN2PWMA/PWMB为控制信号输入端;AO1/A02、B01/B02为2路电机控制输出端;STBY为正常工作/待机状态控制引脚;VM(4.5～15 V)和VCC(2.7～5.5 V)分别为电机驱动电压输入和逻辑电平输入端。
图2.1 TB6612FNG引脚TB6612FNG是基于MOSFET的H桥集成电路，其效率高于晶体管H桥驱动器。
相比L293D 每通道平均600 mA的驱动电流和1.2 A的脉冲峰值电流，它的输出负载能力提高了一倍。
相比L298N的热耗性和外围二极管续流电路，它无需外加散热片，外围电路简单，只需外接电源滤波电容就可以直接驱动电机，利于减小系统尺寸。
对于PWM信号，它支持高达100 kHz的频率，相对以上2款芯片的5 kHz和40 kHz也具有较大优势。
2.3 陀螺仪的选择MPU-60X0 是全球首例9 轴运动处理传感器。
它集成了3 轴MEMS 陀螺仪，3 轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP（Digital Motion Processor），可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。
扩展之后就可以通过其I2C 或SPI 接口输出一个9 轴的信号（SPI 接口仅在MPU-6000 可用）。
MPU-60X0 也可以通过其I2C 接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。
MPU-60X0 对陀螺仪和加速度计分别用了三个16 位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。
为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量围都是用户可控的，陀螺仪可测围为±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度计可测围为±2，±4，±8，±16g。
一个片上1024 字节的FIFO，有助于降低系统功耗。
和所有设备寄存器之间的通信采用400kHz 的I2C 接口或1MHz 的SPI 接口（SPI 仅MPU-6000 可用）。
对于需要高速传输的应用，对寄存器的读取和中断可用20MHz 的SPI。
另外，片上还嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有±1%变动的振荡器。
芯片尺寸4×4×0.9mm，采用QFN 封装（无引线方形封装），可承受最大10000g 的冲击，并有可编程的低通滤波器。
关于电源，MPU-60X0 可支持VDD 围2.5V±5%，3.0V±5%，或3.3V±5%。
另外MPU-6050 还有一个VLOGIC 引脚，用来为I2C 输出提供逻辑电平。
VLOGIC 电压可取1.8±5%或者VDD。
第3章平衡车控制原理3.1 控制系统要求分析根据系统要求，小车必须要能够在无外界干预下依靠一对平行的车轮保持平衡，并完成前进，后退，左右转弯等动作。
分析系统要求可知，保持小车直立和运动的动力都来自于小车的两只车轮，车轮由两只直流电机驱动。
因此，从控制角度来看，可以将小车作为一个控制对象，控制输入量是两个车轮的转动速度。
整个控制系统可以分为三个子系统：（1）小车平衡控制以小车倾角为输入量，通过控制两个电机的正反转保持小车平衡。