Harbin University Of Science And Technology
科研训练开题报告两轮自平衡车系统设计
学校：哈尔滨理工大学
学院：自动化学院
专业：电子信息科学与技术
班级：电技11-1
姓名：邓敏
学号：1112020103
日期：2014.12.08
图一动态平衡原理图
两轮自平衡机器人系统是一个复杂的机电系统，设计两轮自平衡机器人需要设计其机械系统、电系统及软件。而电系统是包括控制处理器、传感器、执行机构和电源的一个复杂系统。软件设计需设计机器人的工作流程。因此要设计一个完整的两轮自平衡机器人系统就需要对这些部分分别进行设计并整合，才能完成两轮自平衡机器人系统的设计。
两轮自平衡小车控制系统的设计 摘要：介绍了两轮自平衡小车控制系统的设计与实现，系统以飞思卡尔公司的16位微控制器MC9S12XS128MAL作为核心控制单元，利用加速度传感器MMA7361测量重力加速度的分量，即小车的实时倾角，以及利用陀螺仪ENC-03MB测量小车的实时角速度，并利用光电编码器采集小车的前进速度，实现了小车的平衡和速度控制。在小车可以保持两轮自平衡前提下，采用摄像头CCD-TSL1401作为路径识别传感器，实时采集赛道信息，并通过左右轮差速控制转弯，使小车始终沿着赛道中线运行。实验表明，该控制系统能较好地控制小车平衡快速地跟随跑道运行，具有一定的实用性。 关键词：控制；自平衡；实时性 近年来，随着经济的不断发展和城市人口的日益增长，城市交通阻塞以及耗能、污染问题成为了一个困扰人们的心病。新型交通工具的诞生显得尤为重要，两轮自平衡小车应运而生，其以行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。但是，昂贵的成本还是令人望而止步，成为它暂时无法广泛推广的一个重要原因。因此，开展对两轮自平衡车的深入研究，不仅对改善平衡车的性价比有着重要意义，同时也对提高我国在该领域的科研水平、扩展机器人的应用背景等具有重要的理论及现实意义。全国大学生飞思卡尔智能车竞赛与时俱进，第七届电磁组小车首次采用了两轮小车，模拟两轮自平衡电动智能车的运行机理。在此基础上，第八届光电组小车再次采用两轮小车作为控制系统的载体。小车设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械及能源等多个学科的知识。 1 小车控制系统总体方案 小车以16位单片机MC9S12XS128MAL作为中央控制单元，用陀螺仪和加速度传感器分别检测小车的加速度和倾斜角度[1]，以线性CCD采集小车行走时的赛道信息，最终通过三者的数据融合，作为直流电机的输入量，从而驱动直流电机的差速运转，实现小车的自动循轨功能。同时，为了更方便、及时地观察小车行走时数据的变化，并且对数据作出正确的处理，本系统调试时需要无线模块和上位机的配合。小车控制系统总体架构。 2 小车控制系统自平衡原理 两轮小车能够实现自平衡功能，并且在受到一定外力的干扰下，仍能保持直立状态，是小车可以沿着赛道自动循线行走的先决条件。为了更好地控制小车的行走方式，得到最优的行走路径，需要对小车分模块分析与控制。 本控制系统维持小车直立和运行的动力都来自小车的两个轮子，轮子转动由两个直流电机驱动。小车作为一个控制对象，它的控制输入量是两个电机的转动速度。小车运动控制可以分解成以下3个基本控制任务。 （1）小车平衡控制：通过控制两个电机正反方向运动保持小车直立平衡状态； （2）小车速度控制：通过调节小车的倾斜角度来实现小车速度控制，本质上是通过控制电机的转速来实现小车速度的控制。 （3）小车方向控制：通过控制两个电机之间的转动差速实现小车转向控制。 2.1 小车平衡控制 要想实现小车的平衡控制，需要采取负反馈控制方式[2]。当小车偏离平衡点时，通过控制电机驱动电机实现加、减速，从而抵消小车倾斜的趋势，便可以保持车体平衡。即当小车有向前倾的趋势时，可以使电机正向加速，给小车一个向前的加速度，在回复力和阻尼力的作用下，小车不至于向前倾倒；当小车有向后倾的趋势时，可以使小车反向加速，给小车一个向后的加速度，从而不会让小车向后倾倒，。
两轮自平衡小车毕业设计毕业论文 目录 1.绪论 (1) 1.1研究背景与意义 (1) 1.2两轮自平衡车的关键技术 (2) 1.2.1系统设计 (2) 1.2.2数学建模 (2) 1.2.3姿态检测系统 (2) 1.2.4控制算法 (3) 1.3本文主要研究目标与内容 (3) 1.4论文章节安排 (3) 2.系统原理分析 (5) 2.1控制系统要求分析 (5) 2.2平衡控制原理分析 (5) 2.3自平衡小车数学模型 (6) 2.3.1两轮自平衡小车受力分析 (6) 2.3.2自平衡小车运动微分方程 (9) 2.4 PID控制器设计 (10) 2.4.1 PID控制器原理 (10) 2.4.2 PID控制器设计 (11) 2.5姿态检测系统 (12) 2.5.1陀螺仪 (12) 2.5.2加速度计 (13) 2.5.3基于卡尔曼滤波的数据融合 (14) 2.6本章小结 (16) 3.系统硬件电路设计 (17) 3.1 MC9SXS128单片机介绍 (17) 3.2单片机最小系统设计 (19) 3.3 电源管理模块设计 (21) I
3.4倾角传感器信号调理电路 (22) 3.4.1加速度计电路设计 (22) 3.4.2陀螺仪放大电路设计 (22) 3.5电机驱动电路设计 (23) 3.5.1驱动芯片介绍 (24) 3.5.2 驱动电路设计 (24) 3.6速度检测模块设计 (25) 3.6.1编码器介绍 (25) 3.6.2 编码器电路设计 (26) 3.7辅助调试电路 (27) 3.8本章小结 (27) 4.系统软件设计 (28) 4.1软件系统总体结构 (28) 4.2单片机初始化软件设计 (28) 4.2.1锁相环初始化 (28) 4.2.2模数转换模块（ATD）初始化 (29) 4.2.3串行通信模块（SCI）初始化设置 (30) 4.2.4测速模块初始化 (31) 4.2.5 PWM模块初始化 (32) 4.3姿态检测系统软件设计 (32) 4.3.1陀螺仪与加速度计输出值转换 (32) 4.3.2卡尔曼滤波器的软件实现 (34) 4.4平衡PID控制软件实现 (36) 4.5两轮自平衡车的运动控制 (37) 4.6本章小结 (39) 5. 系统调试 (40) 5.1系统调试工具 (40) 5.2系统硬件电路调试 (40) 5.3姿态检测系统调试 (41) 5.4控制系统PID参数整定 (43) II
毕业设计（论文）开题报告 题目电动汽车充电对配电系统的影响学院自动化学院 专业电气工程与自动化专业 姓名 班级 学号 指导教师
一、综述本课题选题的依据和意义 2015年9月，关于充电桩的好消息频频传出，如国务院常务会议上提出加快电动汽车充电基础设施、电动汽车充电接口国家标准修订稿通过审查，以及国务院办公厅日前发布《关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见》，到2020年，我国将基本建成适度超前、车桩相随、智能高效的充电基础设施体系，满足超过500万辆电动汽车的充电需求。尤为引人关注的是，北京通信展举行期间，国务院副总理马凯称：国家准备将充电桩普及的任务交由铁塔公司负责。 随着时代的发展，汽车的普及，石油的消耗也日益增加，作为不可再生的石油资源，总有枯竭的一天，而且汽车尾气的排放对环境有很大的污染，所以利用电能替代石油，实现汽车尾气的零排放，将是未来汽车行业的发展趋势。截至2015年一月，从公开信息显示，目前杭州已经建成了70座充换电站、620个充电桩，其中杭州主城区投入运营的充换电站有27个。在杭州市区里，一辆新能源车要找到最近的充电站，只要开4.5公里。 国内外电动汽车在近几年的发展情况如下：经过2012和2013年的缓慢起步，全球电动汽车销量终于在2014年下半年爆发，全年销售已超过30万辆大关，中国新能源汽车品牌突飞猛进，比亚迪从2013年的第40名跃升至第七位，康迪电动车也挤进第十名。在2015年，全球电动汽车销售量达到40万辆左右。 随着电动汽车规模化应用,电网原有装机和线路容量是否能应对新增充电负荷需求,即在不扩大规模的情况下,如何提高原有电网利用率,增加容纳能力,同时最大限度降低充电负荷对电网的负面影响,在分析充电负荷特性基础上,针对电动汽车充电对电网各方面的影响,提出相应对策,将对电动汽车产业化进程具有重要的研究意义。 二、国内外研究动态 我国电动汽车起步较发达国家晚,但研究发展快。各汽车生产商进入研发电动汽车的行列,已经在促进电动汽车各方面技术发展方面取得有益的成见。由于配套设施等主要原因,家用电动汽车并没有广泛的推广开来，现有的电动汽车充电站主要对电动公交车和工程车辆进行充电。同时针对电动汽车充电站运行和电动汽车充电对配电网的研究仍然非常缺乏。电动汽车规模预测，用户充电行为的随机性,以及接入电网造成的影响和相应充电控制策略都没有一套成熟的模式和系统，以及对此的全面研究。 电动汽车对电网的影响，主要包括电网负荷特性影响、谐波影响、电压电流
基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计 摘要 两轮自平衡车是一种高度不稳定的两轮机器人，就像传统的倒立摆一样，本质不稳定是两轮小车的特性，必须施加有效的控制手段才能使其稳定。本文提出了一种两轮自平衡小车的设计方案，采用重力加速度陀螺仪传感器MPU-6050检测小车姿态，使用互补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STC 公司的8位单片机STC12C5A60S2为主控制器，根据从传感器中获取的数据，经过PID算法处理后，输出控制信号至电机驱动芯片TB6612FNG，以控制小车的两个电机，来使小车保持平衡状态。 整个系统制作完成后，小车可以在无人干预的条件下实现自主平衡，并且在引入适量干扰的情况下小车能够自主调整并迅速恢复至稳定状态。通过蓝牙，还可以控制小车前进，后退，左右转。 关键词：两轮自平衡小车加速度计陀螺仪数据融合滤波 PID算法 Design of Control System of Two-Wheel Self-Balance Vehicle based on Microcontroller Abstract Two-wheel self-balance vehicle is a kind of highly unstable two-wheel robot. The characteristic of two-wheel vehicle is the nature of the instability as traditional inverted pendulum, and effective control must be exerted if we need to make it stable. This paper presents a design scheme of two-wheel self-balance vehicle. We need using gravity accelerometer
毕业设计（论文） 开题报告 题目：单片机控制单轴双轮自动平衡小车设计系别：电气工程系 专业：电气工程及其自动化 班级： 学号 学生姓名： 指导教师： 2016年 3月
中原工学院信息商务学院 毕业论文（设计）开题报告 论文（设计）题目单片机控制单轴双轮自动平衡小车 姓名系别电气工程系专业 班级 电气121学号6 1选题目的和意义： 平衡车是一个不稳定、强耦合、非线性系统，对平衡车的研究有利于我们更熟练得运用自动控制理论，并且发展更可靠稳定的控制方法。在实际应用中，平衡车由于体积小，灵活方便，不管是在军用或者民用领域都有广阔的应用空间，两轮自平衡小车可以作为一种小范围的移动式服务平台。通过本课题的研究学习，会使自己更加了解单片机，熟悉电子电路，提升自己的对整个设计的把握，更透彻的掌握自动控制方法。 2本选题在国内外的研究状况及发展趋势： 国外方面：JOE 是瑞士研制的用DSP和FPGA 控制并基于倒立摆理论双轮车。通过倾斜传感器和倾角传感器来检测车体。通过电机上的编码盘检测电机的速度。采用了基于状态反馈的线性控制策略，车的运动被分解成直线和旋转运动，然后分析直线运动和旋转运动，得到电机需要的控制量，最终把控制量耦合叠加。他主要的设计思想依然是：使车子朝车体倾斜的方向运动来保持车身的平衡。主控芯片是HC11 微处理器，此处理器是David P.Anderson 专门的针对nBot 车设计的。传感器在得到车的车身信息后，再比例整合，当作模糊控制器的输入，按照之前设定的控制原则得到两个电机需要的PWM 电压。该控制只能能让小车平衡运动，而不能让小车自主直立。Segway 拥有更多的姿态传感器，它有5个陀螺仪传感器，然而事实是检测车身前倾斜只需要3个传感器就够了，其他的两个传感器只是增加安全性。传感器的信息会被传送到一个电路板，这个电路板是微处理器的集群，效率是个人电脑的三倍。这个集群是为了保证本载人平衡车在其中任何一个处理器出现问题时能报告错误，给驾驶者以处理问题的时间余量，保证了平衡车的安全性。 国内方面：哈工大尹亮制作的双轮移动车Sway，车身倾斜度采用AD 推出的双轴加速度传感器ADXL202 及反射式红外线距离传感器来获得。基于PWM 动态控制直流电机的速度。车与上位机间的数据通信使用PTR2000 超小型超低功耗高速无线收发数传MODEM。人机交互界面使用图形液晶点阵、方向摇杆、按键。依靠这些可靠并且完备
项目名称：两轮自平衡小车 本设计采用微控制器，通过软件滤波和自动控制理论算法使得小车达到平衡状态。系统的传感器采用角度传感SCA61T，和陀螺仪采集小车车身的水平状态值和小车的加速度值。并且采用了LM298双桥大功率集成驱动芯片来驱动电机，无线遥控来控制小车的数据传输。依靠这些可靠的硬件设计，使用PID 闭环控制算法和卡尔曼滤波算法，使得整个硬件结构和软件系统能顺利匹配。从而使得小车能保持直立自平衡状态。详细介绍：单轴两轮自平衡小车系统设计说明书摘要：本设计采用ATMEL公司推出的MEGA 16 单片机作为“双轮直立自平衡小车”的微控制器，用以处理任意时刻传感器的数据；通过软件滤波和自动控制理论算法使得小车能够在任意时刻进行自我调整以达到平衡状态。该系统的传感器采用角度传SCA61T，和陀螺仪采集小车车身的水平状态值和小车的加速度值。并且采用了LM298双桥大功率集成驱动芯片来驱动...(查看更多)电机，无线遥控来控制小车的数据传输。依靠这些设备和可靠的硬件设计，我们使用了一套PID 闭环控制算法和比较稳定的卡尔曼滤波算法，使得整个硬件结构和软件系统能顺利匹配。从而使得我们的小车能保持直立自平衡状态。 关键词：微控制器卡尔曼滤波PID闭环控制 一、总体设计方案 （1）设计思路题目要求设计并制作一个单轴两轮自平衡小车。对于小车能保持平衡，直立行走。系统应该设置有测量倾角和加速度的模块。可以采用角速度传感器和陀螺仪测量出小车的倾角和加速度，并把数据传送给单片机处理。经过单片机处理数据和进行相应的补偿后，通过控制电机从而使小车保持在平衡状态。系统硬件结构 （2）方案论证与比较 1.微控制器选型 方案一：采用目前市场比较主流性能稳定价格低廉的AT8952单片机，AT8952单片机内部资源8K字节在系统可编程Flash存储器、全静态操作：0Hz～33MHz 、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、和一路可编程的PWM 输出。我们的系统一共用到两路独立的PWM输出，AT89S52只有一路硬件PWM 这样我们必须考虑用软件或硬件再产产生一路可调的PWM 才能满足我们系统的两个轮子调速的需求。考虑到系统整体的程序构思是一个很耗费CPU运行时间，所以我们排除了软件中断的方式在产生一路PWM ，节省了CPU 的程序运行时间的开销。值得我们考虑的只能用其他电机控制芯片+AT8952来控制我们的两个电机，后来我们考虑了NEC-SSOP30 这个电机控制芯片来产生两路PWM，该芯片是一颗强大的直流电机和步进电机的控制芯片，里面有三路可编程的直流电机PWM 输出通道和三路步进电机控制通道，和单片机通信接口，有SPI 总线接口和USAP 串口通信，但是考虑到NEC –SSOP30 芯片的指令周期是1.4MS ，不能实时性的更新系统的PWM 这样就会造成整个系统的不稳定。最重要的一点还有考虑到该系统是程序里面运行的是一些比较复杂的浮点数运算，对微控制器的内核得必须既有可靠稳定快速处理浮点数运算的性能，51内核是以冯诺依曼总线 结构对数据的处理和传输，因为我们都知道该结构使不能同时进取指令和举行指
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 1 课题背景 (1) 1.1课题背景 (1) 1.2课题的目的和意义 (2) 2 文献综述 (2) 2.1国内外智能汽车发展状况 (2) 2.2基于不同避障方式的智能车 (3) 2.3智能车自动平衡技术现状 (4) 2.4智能车自动避障技术现状 (4) 2.5智能车路径计算和避障研究 (6) 3 研究方案 (8) 3.1研究内容及目标 (8) 3.2技术路线 (9) 3.3技术难点及解决办法 (10) 3.4创新之处 (10) 4 论文计划安排 (11) 4.1论文安排 (11) 4.2论文计划 (11) 参考文献 (12)
智能小车智能避障算法研究 机设104班 (10100872) 王立人 摘要：智能机器人是如今工程研究的热点，在工业和航空航天领域，智能车已作为一种重要的人力替代被广泛应用。本研究将在智能车能够双轮直立且自主循迹的基础上，通过自动控制方法来引导车辆前进，并通过控制系统避让行进过程中的障碍物。本研究结果将提供障碍物识别以及自动避障控制理论的新方法，为自主机器人的避障研究提供一些参考。最终实现两轮平衡车通过数字摄像头传感器在指定环境中上准确的判断路障并在一定速度下安全行驶。 关键字：智能车,障碍物识别,避障算法,控制系统 1 课题背景 1.1 课题背景 智能汽车的研究始于20世纪50年代初，美国Barrett Electronics公司开发出世界上第一台自动引导车辆系统（Automated Guided V ehicle System，AGVS）。与此同时，Basrrett 电子公司研制出牵引式小车系统，对钢丝索导引的路径进行跟踪。其后，美国国防部也将智能小车应用纳入其研究范畴中，NASA火星探测智能移动机器人Spirit和Opportunity都包含了路径跟踪内容；第三代军用智能汽车SmarTruck III能够利用光电信息技术探测，满足有路和无路条件下的车辆自动驾驶。在欧洲，20世纪80年代，意大利帕尔玛大学实验研制出ARGO实验车，配备有障碍物自主避让及跟踪系统。它借助于车前的视觉探测器实现障碍物检测避让和路径跟踪，是一种基于立体视觉的智能系统。在亚洲，日本60年代也开始了智能汽车的研究，其中Toyota公司推出了Lexus LS460智能泊车辅助系统，通过对前后座摄像头的图像进行处理，利用其结果来控制电子动力方向盘，从而命令其自主泊车。在我国，智能车的研究也在同步进行。清华大学智能技术与系统国家重点实验室研制的THMR系列机器移动车，其车载设备包括磁罗盘、摄像机、差分GPS、电子地图等等，以保证其控制系统能够接受自主驾驶和辅助驾驶。1996年，沈阳金杯汽车厂研制的6台用于汽车发动机装配用的自动引导小车，可以是说是中
2012年省电子竞赛设计报告 项目名称：自平衡小车 姓名：连文金、林冰财、陈立镔 指导老师：吴进营、苏伟达、李汪彪、何志杰日期：2012年9月7日
摘要： 本组的智能小车底座采用的是网上淘宝的三轮两个电机驱动的底座,主控芯片为STC89C52,由黑白循迹采集模块对车道信息进行采集,将采集的信息传送到主控芯片,再由主控芯片发送相应的指令到电机驱动模块L298N，从而控制电机的运转模式。 关键词： STC89C52 L298N 色标传感器 E18-F10NK 自动循迹 引言： 近现代，随着电子科技的迅猛发展，人们对技术也提出了更高的要求。汽车的智能化在提高汽车的行驶安全性，操作性等方面都有巨大的优势，在一些特殊的场合下也能满足一些特殊的需要。智能小车系统涉及到自动控制，车辆工程，计算机等多个领域，是未来汽车智能化是一个不可避免的大趋势。本文设计的小车以STC89C52为控制核心，用色标传感器 E18-F10NK作为检测元件实现小车的自动循迹前行。 一、系统设计 本组智能小车的硬件主要有以STC89C52 作为核心的主控器部分、自动循迹部分、电机驱动部分。 1.1方案论证及选择： 根据设计要求，可以有多种方法来实现小车的功能。我们采用模块化思想，从各个单元电路选择入手进行整体方案的论证、比较与选择。 本方案以STC89C52作为主控芯片，通过按键进行模式的选择切换，按键一选择三轮循迹，按键二进行两轮循迹。 1.1.1模式一（三轮循迹）： 模式一（按键一控制）：三轮循迹的时候，通过色标传感器和激光传感器进行实时的数据采集，反馈给主控芯片，主控芯片通过驱动L298来控制两路直流减速电机，从而保证路线的准确性。
中北大学 课程设计说明书 学生姓名: *杰学号：* 学院: 仪器与电子学院 专业: * 题目: 基于ARM的两轮自平衡车模型系统设计 指导教师：李锦明职称: 副教授 2015 年1 月30 日
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L3G4200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32位单片机Kinetis K60为控制核心，通过滤波算法实现车身控制，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。 关键词：两轮自平衡陀螺仪姿态检测卡尔曼滤波数据融合
目录 1 课程设计目的 (1) 2 设计内容和要求 (1) 2.1 设计要求 (1) 2.2 研究意义 (1) 2.3 研究内容 (2) 3 设计方案及实现情况 (2) 3.1 两轮平衡车的平衡原理 (2) 3.2 系统方案设计 (3) 3.3 系统最终方案 (6) 3.4 系统软件设计 (9) 3.5 电路调试 (16) 4 课程设计总结 (18) 参考文献 (19) 附录 (20) 致谢 (21)
1 课程设计目的 （1）掌握嵌入式系统的一般设计方法和设计流程； （2）学习嵌入式系统设计，掌握相关IDE开发环境的使用方法； （3）掌握ARM的应用； （4）学习掌握嵌入式系设计的全过程； 2 设计内容和要求 2.1 设计要求 （1）学习掌握基于ARM Cortex-M4内核的Kinetis K60系列单片机的工作原理及应用；（2）学习掌握加速度计、陀螺仪的工作原理及应用； （3）设计基于PID控制的两轮自平衡车模型系统的工作原理图及PCB版图； 2.2 研究意义 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[1]。 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。
#include
毕业设计（论文）开题报告学生姓名系部汽车与交通工程学院专业、班级 指导教师姓名职称讲师从事 专业 车辆工程是否外聘□是■否 题目名称平衡重式电动叉车设计 一、课题研究现状、选题目的和意义 1、研究现状 最近5 年，中国叉车市场的生产和需求量每年的增幅均达到了25％以上，2006 年中国就已经成为仅次于美国的全球第二大叉车消费市场。这种快速增长的势头持续到2008 年，直至被金融危机的爆发打断。金融危机的突然到来，致使中国叉车的产销量和出口量都出现了大幅下降。由于中国物流产业进入了十大产业振兴规划，中国叉车业又蓬勃发展起来。我国内燃平衡重式叉车约占总销量的80%，而全球叉车销量中电动叉车比重超过了50%。这是因为在欧、美、日的叉车市场上，电动叉车已成为主流产品的缘故。由于我国对环保要求较低、叉车作业更频繁、作业环境较恶劣以及运行成本等因素，较长时间内我国的叉车需求仍将倾向于使用内燃叉车。近年来，各叉车公司皆以产品种类、系列的多样化去充分适应不同用户、不同工作对象和不同工作环境的需要，并不断推出新结构、新车型，以多品种小批量满足用户的个性化需求。内燃叉车以发动机为动力，功率强劲，使用范围广，缺点是排气和噪声污染环境，有害人类健康。环保要求推动了动力技术的更新，如：上世纪90年代液化石油气(LPG)叉车、压缩天然气(CNG)叉车、丙烷叉车等低公害叉车面市，且发展势头强劲；现在林德3吨内燃平衡重式叉车尾气排放符合欧洲Ⅱ号标准。电动叉车具有能量转换效率高、无废气排放、噪声小等突出优点，是室内物料搬运的首选工具，但其受电瓶容量限制，功率小，作业时间短。对室内作业、靠近人群作业以及整个的食品行业而言，电瓶叉车是最好的选择；除了完全没有废气污染外，低噪音也使得作业环境更令人愉快。未来叉车将广泛采用电子燃烧喷射和共轨技术。发动机尾气催化、净化技术的发展将有效降低有害气体和微粒的排放。LPG、CNG等燃料叉车及混合动力叉车将进一步发展。新型电瓶燃料电池在各大公司的共同努力下，将克服价格方面的劣势，批量进入市场，微电子技术、传感技术、信息处理技术的发展和应用，对提高叉车业整体水平，实现复合功能，以及保证整机及系统的安全性、控制性和自动化水平的作用将更加明显，使电子与机械、电子与液压的结合更加密切。未来叉车的发展在于其电子技术的应用水平。如：林德电动前移式叉车采用感应式电子转向系统，给操作者提供变量扭矩反馈以确保完美的控制性能，所需转向力极微。实现以微处理器为核心的机电液一体化是未来叉车控制系统发展的主方向。对于电动车辆，传统的电阻调速控制器已被淘汰，而新型MＯSFET晶体管因其门极驱动电流小，并联控制特性好且有软、硬件自动保护和硬件自诊断功能等优点，得到广泛采用。串励和他励控制器仍是市场的主导产品，交流控制技术则处于起步阶段。随着交流调速控制系统成本的降低与闭式交流电机技术的成熟，交流电机叉车将会因其功率大、维护性能好而取代直流电机叉车。采用电子转向系统与动力转向比可节能25%，它可根据叉车使用工作状况，适时控制电机转速，是叉车节能降噪的有效措施。另外，MOSFET晶体管比电阻式调速可节能20%，释放式再生制动可节能5%～8%，采用液压电机控制器和负载势能回收技术可分别节能20%和5%。驾驶员的舒适感对保证叉车高效运行非常重要。叉车的驾驶座具有全方位的调节功能：座椅靠背可向后或向前倾斜，座椅弹簧可进行调节，座椅可向后或向前移动。各叉车公司不断优化改进叉车人机界面，使操纵简便省力、迅速准确，充分发挥人机效能，提高作业效率。例如，配备醒目的数字化仪表、报警装置以及故障检测自动仪器，实现工作状况的在线监控；采用浮动驾驶室(可移动、升降)，使操纵者获得全方位视野；以集中手柄控制替代多个手柄控制，电控替代手控；以及逐渐将电子监测器和高度显示器作为高升程叉车的标准配置。 在全球叉车市场格局中，丰田和林德遥遥领先，年销售收入超过50亿美元；而安叉和杭叉在
双轮自平衡车设计报告 学院………….......... 班级…………………… 姓名………………..手机号…………………..姓名………………..手机号…………………..姓名………………..手机号…………………..
目录 一、双轮自平衡车原理 二、总体方案 三、电路和程序设计 四、算法分析及参数确定过程
一.双轮自平衡车原理 1.控制小车平衡的直观经验来自于人们日常生活经验。一般的人通过简单练习就可以让一个直木棒在手 指尖上保持直立。这需要两个条件：一个是托着木棒的手掌可以移动；另一个是眼睛可以观察到木棒的倾斜角度和倾斜趋势（角速度）。通过手掌移动抵消木棒的倾斜角度和趋势，从而保持木棒的直立。这两个条 件缺一不可，让木棒保持平衡的过程实际上就是控制中的负反馈控制。 图1 木棒控制原理图 2.小车的平衡和上面保持木棒平衡相比，要简单一些。因为小车是在一维上面保持平衡的，理想状态下，小车只需沿着轮胎方向前后移动保持平衡即可。 图2 平衡小车的三种状态 3.根据图2所示的平衡小车的三种状态，我们把小车偏离平衡位置的角度作为偏差；我们的目标是通过 负反馈控制，让这个偏差接近于零。用比较通俗的话描述就是：小车往前倾时车轮要往前运动，小车往后倾时车轮要往后运动，让小车保持平衡。 4.下面我们分析一下单摆模型，如图4所示。在重力作用下，单摆受到和角度成正比，运动方向相反的回复力。而且在空气中运动的单摆，由于受到空气的阻尼力，单摆最终会停止在垂直平衡位置。空气的阻尼力与单摆运动速度成正比，方向相反。 图4 单摆及其运动曲线
类比到我们的平衡小车，为了让小车能静止在平衡位置附近，我们不仅需要在电机上施加和倾角成正比的回复力，还需要增加和角速度成正比的阻尼力，阻尼力与运动方向相反。 5 平衡小车直立控制原理图 5.根据上面的分析，我们还可以总结得到一些调试的技巧：比例控制是引入了回复力；微分控制是引入了阻尼力，微分系数与转动惯量有关。 在小车质量一定的情况下，重心位置增高，因为需要的回复力减小，所以比例控制系数下降；转动惯量变大，所以微分控制系数增大。在小车重心位置一定的情况下，质量增大，因为需要的回复力增大，比例控制系数增大；转动惯量变大，所以微分控制系数增大。 二.总体方案 ■小车总框图
学校研究性学习开题报告 课题题目：关于汽车尾气排放的环境影响探究 指导教师： 所在班级： 开题时间：年月日 课题题目：关于汽车尾气排放的环境影响 课题组成员： 简要背景说明（课题是如何提出来的）：环境保护是当今世界各国越来越重视的重大课题，人类向大气中排入的废气不断不断恶化我们身边的环境，其中随着人们生活水平提高，汽车数量越来越多，汽车尾气的排放量也在急剧增加，这成为影响环境的又一个重要因素。 课题的目的与意义：通过调查汽车尾气排放情况，了解它对环境内外的各种影响，尤其是对于大气污染的加剧的作用，因此，关注汽车尾气排放，可以让我们提高环保意识，采取各种措施，自觉减少环境污染，保护我们的家园。 随着经济的高速发展,我国汽车保有量急剧增加,城市汽车尾气排放量快速上升,导致尾气污染问题日益突显。我国相关部门采取了措施,并收到了一定的成效,但是要从根本上根治这个问题的可能性微乎其微,我们只能采取更为有效的措施来控制污染的恶化程度。在我国走向工业化、城市化、现代化的进程中, 环境治理问题日益成为我们必须面对的挑战之一。汽车是现代人类的重要的交通工具,随着我国经济的发展 ,人民生活水平的提高,汽车的数量也随之迅速增加,在人们出行方便的同时,汽车尾气对人类生存环境也造成了严重污染。此次研究性活动的内容就是：关于汽车尾气排放对环境的影响 第一部分：汽车尾气的危害 汽车排放源主要来自三个方面:尾气排放,燃油蒸发排放和油箱通风。后两方面所造成的排放物相对第一方面来说要小得多,通常后两方面一氧化碳、氮氧化物为总排放量的1%-2%,碳氢化合物为20%左右。因此,汽车排放主要来自发动机燃烧产生的尾气。我们先看一下 一、汽车尾气的组成：含有一氧化碳、氧化氮以及对人体及环境产生不良影响的其他一些 固体颗粒。 二、汽车尾气严重影响环境（调查表明） 汽车尾气现已成为主要的空气污染源，2009年环境监测显示，全国113个环保重点城市中三分之一的城市空气质量不达标，很多城市尤其是大中城市空气污染原来出现的煤烟
2015年陇东学院第十六届“挑战杯” 课外学术科技作品竞赛 双轮自平衡小车的设计与制作 学院：电气工程学院 班级：12级自动化本科班 姓名：周永 2015年12月8日
双轮自平衡小车的设计与制作 摘要：双轮自平衡小车是一个集动态决策和规划、环境感知、行为控制和执行等多种功能于一体的综合复杂系统，其关键是在解决自平衡的同时，还能够适应在各种环境下的控制任务。通过运用外加速度传感器、角速度传感器等，可以实现小车的平衡自主前进。双轮自平衡小车，涉及到传感器的驱动，数据的处理，角度的计算，电机的控制等，内容比较丰富，可作为实践自动控制原理及单片机技术的一个不错选择，是自我锻炼的绝好选题，对于以后制作此方面的民用产品也有很大的启迪作用。 关键词：双轮；自平衡；控制；传感器 1.引言 目前市场上的各种电子产品及家电机器人等行业越来越多地用到了智能控制技术。可以说，当今社会是一个智能型社会。各方各面都在竭尽全力向着智能方向发展，不论是人工智能还是联网智能，都在突出一个智能。智能已经覆盖了我们生活的方方面面，我们正在被智能的概念所潜移默化。不论是智能手机、玩具还是机器人，都已经成了我们生活的一部分。正是在这种情况下，智能交通的发展也发生了翻天覆地的变化，从飞车到自动驾驶汽车，无不在向我们说明，现代人已经对智能型交通工具期待已久了。作为最新科技产品的一个代表，最近市场上新出现的独轮车越来越受到了消费者的青睐。可以想象，最近几年内此类产品将会在市场上争得一席之地。比起独轮车，两轮车具有同样的购买热度，但是设计难度却没那么高，所以我将选择了从双轮车开始玩起智能交通工具。 2设计方案 方案一：用51单片机作为主控制器,用MPU6050模块采集姿态数据，用光电编码器对5V直流电机进行编码，显示模块采用LCD12864液晶屏，电源采用三端稳压方案，用红外遥控控制小车行走。本设计简单廉价，然而由于主控的反应相对缓慢，很难满足设计要求。 方案二：采用STM32单片机作主控制器，仍然用MPU6050模块作姿态数据采集，而电机采用二手的型号为16G214E MR19的具有高精度霍尔编码器的原价2000+的瑞士进口12V直流电机，显示模块采用了更轻薄更清晰更小巧的
开题报告填表说明 1.开题报告是毕业设计（论文）过程规范管理的重要环节，是培养学生严谨务实工作作风的重要手段，是学生进行毕业设计（论文）的工作方案，是学生进行毕业设计（论文）工作的依据。 2.学生选定毕业设计（论文）题目后，与指导教师进行充分讨论协商，对题意进行较为深入的了解，基本确定工作过程思路，并根据课题要求查阅、收集文献资料，进行毕业实习（社会调查、现场考察、实验室试验等），在此基础上进行开题报告。 3.课题的目的意义，应说明对某一学科发展的意义以及某些理论研究所带来的经济、社会效益等。 4.文献综述是开题报告的重要组成部分，是在广泛查阅国内外有关文献资料后，对与本人所承担课题研究有关方面已取得的成就及尚存的问题进行简要综述，并提出自己对一些问题的看法。 5.研究的内容，要具体写出在哪些方面开展研究，要突出重点，实事求是，所规定的内容经过努力在规定的时间内可以完成。 6.在开始工作前，学生应在指导教师帮助下确定并熟悉研究方法。 7.在研究过程中如要做社会调查、实验或在计算机上进行工作，应详细说明使用的仪器设备、耗材及使用的时间及数量。 8.课题分阶段进度计划，应按研究内容分阶段落实具体时间、地点、工作内容和阶段成果等，以便于有计划地开展工作。 9.开题报告应在指导教师指导下进行填写，指导教师不能包办代替。 10.开题报告要按学生所在系规定的方式进行报告，经系主任批准后方可进行下一步的研究（或设计）工作。 一、课题的目的意义： 倒立摆系统作为一个实验装置，形象直观，结构简单，构件组成参数和形状易于改变，成本低廉；作为一个被控对象，它又相当复杂，就其本身而言，是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合系统，只有采取行之有效的控制方法方能使之稳定。 理论是工程的先导，倒立摆的研究具有重要的工程背景。机器人行走类似倒立摆系统，尽管第一台机器人在美国问世以来已有几十年的历史，但机器人的关键技术至今仍未很好解决。由于倒立摆系统的稳定与空间飞行器控制和各类伺服云台的稳定有很大相似性，也是日常生活中所见到的任何重心在上、支点在下的控制问题的抽象。因此，倒立摆机理的研究又具有重要的应用价值，成为控制理论中经久不衰的研究课题。 文献综述（分析国内外研究现状、提出问题，找到研究课题的切入点，附主要参考文献，约2000字）： 倒立摆系统的最初分析开始于二十世纪五十年代，是一个比较复杂的不稳定，多变量，带有强耦合特性的高阶机械系统。倒立摆系统存在严重的不确定性，一方面是系统的参数的不确定性，一方面是系统受到不确定因素的干扰。其控制方法和思路在处理一般工业过程中有很广泛的用途，此外，其相关的研究成果也在航天科技和机器人学习方面得到了大量的应用，如机器人行走过程中平衡控制，火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等，因此，倒立摆系统是进行控制理论研究的理想平台。 倒立摆是机器人技术﹑控制理论﹑计算机控制等多个领域﹑多种技术的有机结合，其被控
两轮自平衡小车设计 一、任务要求 图1两轮自平衡车 两轮自平衡车结构原理如图1所示，主控制器（DSP）通过采集陀螺仪和加速度传感器得到位置信号，通过控制电机的正反转实现保持小车站立。 1、通过控制两个电机正反运动，实现小车在原地站立。 2、实现小车的前进、后退、转弯、原地旋转、停止等运动； 二、方案实现 2.1电机选型 图2直流电机 两轮自平衡车由于需要时刻保持平衡，对于倾角信号做出快速响应，因此对电机转矩要求较大。在此设计中选用国领电机生产的直流电机，其产品型号为GB37Y3530，工作电压6v-12v。为增大转矩，电机配有1:30传动比的减速器。
2.2电机测速方案 图3霍尔测速传感器 在电机测速方案上主流的方案有两种，分别是光电编码器和霍尔传感器。光电编码器测量精度由码盘刻度决定，刻度越多精度越高；霍尔传感器精度由永磁体磁极数目决定，同样是磁极对数越高精度越高。由于两轮自平衡车工作于剧烈震动环境中，光电编码器不适应这种环境，因此选用霍尔传感器来测量速度。电机尾部加装双通道霍尔效应编码器，AB双路输出,单路每圈脉冲16CPR,双路上下沿共输出64CPR，配合1:30的减速器传动比，可以计算出车轮转动一圈输出的脉冲数目为64X30=1920CPR，完全符合测速要求。 2.3电机驱动控制系统概述 本平台电机驱动采用全桥驱动芯片L298N，内部包含4通道逻辑驱动电路，两个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器。本驱动桥能驱动46V、2A 以下的电机。其输出可以同时控制两个电机的正反转，非常适合两轮自平衡车开发，其原理图如下图所示 图4L298N原理图 采用脉宽调制方式（即PWM，Pulse Width Modulation）来调整电机的转速和转向。脉宽调制是通过改变发出的脉冲宽度来调节输入到电机的平均电