毕业设计任务书-(基于单片机的两轮平衡车控制系统设计)

此时系统两个极点为:图1总体结构图通过比较,对各模块做如下选择。

控制系统模块,采用AVR(ATmega16)单片机。

角度控制模块采用MMA7361。

陀螺仪模块采用图2总体系统电路原理图L298N电机驱动电路原理图传感器模块转接电路115Science&Technology Vision科技视界图3软件流程图5结论两轮自平衡小车是一个集多种功能于一体的综合系统,是自动控制理论与动力学理论及技术相结合的研究课题,其关键问题是在完成自身平衡的同时,还能够适应各种环境下的控制任务。

它是一种两轮共轴、独立驱动、车身中心位于车轮轴上方,通过运动保持平衡,可直立行走的复杂系统。

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。

【参考文献】[1]黄有锐,曲立国.PID控制器参数整定与实现[M].北京:科学出版社,2010.[2]范世珣,范大鹏,张智永,孙海洋.机电装置频率特性的数字化测试方法研究[J].动力学与控制学报,2007,5.[3]丁学明,张培仁,杨兴明,徐勇明.基于单一输入法的两轮移动式倒立摆运动控制[J].系统仿真学报,2004,16.[4]K Pathak,J Franch,S K Agrawal.Velocity and Position Control of a WheeledInverted Pendulum by Partial Feedback Linearization[J].IEEE Trans.on Robotics,2005.的缘故。

(a)“电阻率-温度”关系图(0-300K)(b)“电阻率-温度”关系图(0-10K)图3图(a)为NdOFeP的电阻率与温度(2K至300K)的关系曲线图,图(b)为NdOFeP的电阻率与温度(2k至10K)的关系曲线大图。

(2)NdOFeP的磁性测量过程由于NdOFeP中含有微量的磁性杂质,抑制了样品本身的磁性质。

基于STM单片机的平衡车设计研究一、引言1. 平衡车原理平衡车是一种基于倒立摆的原理进行设计的交通工具。

它通过两个电动机驱动车轮，通过控制车轮的转速和方向来实现平衡车的前后倾斜和转向。

在使用平衡车时，通过重心的变化和倾斜传感器的检测，来控制电动机的转速和方向，从而保持平衡车的稳定状态。

基于STM单片机的平衡车设计，利用STM单片机的强大性能和丰富的外设接口，对平衡车进行智能化控制和调节，提高了平衡车的稳定性和性能。

2. STM单片机原理STM单片机是一种基于ARM内核的嵌入式处理器，具有强大的计算能力和丰富的外设接口。

它可以方便地与各种传感器和执行器进行连接和通信，实现智能控制和调节。

在基于STM单片机的平衡车设计中，通过连接倾斜传感器、加速度传感器和编码器等传感器，利用STM单片机的计算能力和通信能力，实现对平衡车的智能控制和稳定调节。

1. 硬件设计在基于STM单片机的平衡车设计中，需要搭建一个完整的硬件系统，包括电动机驱动模块、倾斜传感器模块、加速度传感器模块、编码器模块等。

通过这些硬件模块与STM单片机进行连接，实现对平衡车的智能控制和稳定调节。

在基于STM单片机的平衡车设计中，需要编写相应的控制程序，实现对平衡车的智能控制和稳定调节。

通过对倾斜传感器和加速度传感器的数据进行采集和处理，结合编码器的反馈信息，实现对电动机的速度和方向的控制，从而保持平衡车的稳定状态。

3. 系统调试在完成硬件设计和软件设计后，需要对整个系统进行调试和测试。

通过对传感器数据的采集和处理，以及对电动机的控制和调节，不断优化和调整系统的控制算法和参数，达到平衡车稳定运行的效果。

四、基于STM单片机的平衡车设计应用与展望1. 应用基于STM单片机的平衡车设计在智能交通工具、科技展示和娱乐器械等领域有着广泛的应用。

它不仅可以为人们提供便捷的出行方式，还可以作为科技展示品和娱乐器械，受到了越来越多人的关注和喜爱。

2. 展望随着科技的不断发展，基于STM单片机的平衡车设计将会越来越智能化和多样化。

TECHNOLLGY APPLICATION基于单片机的智能两轮自平衡车的设计■■沈阳工学院：赵一澎■■唱红■■夏靖坤■何金■刘莹1.■引言如今移动机器人面临的环境和任务越来越繁杂，在这种情况下，就需要移动机器人必须能够适应一些复杂的环境和危险的任务。

因此开展对两轮自平衡小车的研究，这项研究在该领域的科研水平具有很重要的现实意义。

1.1 两轮自平衡小车的研究意义在面临一些复杂环境和艰巨的任务时，移动机器人通常会碰到一些狭隘的危险工作，在面对这样如此艰难的环境，研究者们针对移动机器人如何灵活快捷的执行任务的问题进行了深度的研究。

正是在这样一个背景下两轮自平衡小车的概念被提出来。

两轮自平衡小车的优点在于可以适应复杂的环境和控制任务，可以保持车身的平衡，在安防或者军事上会有更广阔的应用前景。

1.2 两轮自平衡小车的技术1.2.1 数学建模建立系统的模型，建立的重点在于动力学方面，两轮自平衡小车的结构主要由车身和双轮子两部分构成。

对两轮自平衡小车的建模方法，采用经典的力学方法，对小车进行受力分析，可分为车轮模型和车身模型两部分，最后通过对两者的稳定型和能观性的分析判断出系统的最优状态方程。

1.2.2 姿态检测两轮自平衡小车通过检测小车的姿态来对小车进行控制。

加速度计和陀螺仪等惯性传感器可以实时、准确的检测两轮自平衡车的倾角。

因此，采用陀螺仪和加速度两个传感器相结合，通过融合的算法对于两轮自平衡小车来说是实现有效控制的关键所在。

1.2.3 控制算法控制技术是运动控制的核心，两轮自平衡车属于本质不稳定系统，利用传统的PID技术进行可行性分析，传感器将车体的运动速度和倾角等信息传递给系统控制器，是车轮转速与角度值保持一致，系统控制器将最终命令传递给电机驱动器来完成系统的闭环控制。

2.■系统概述两轮自平衡小车的组成很简单，保持小车平衡和运动都是通过控制两个车轮完成的。

在未对系统进行控制时，小车处于静止的状态，此时的车身的状态可能会出现前倾或后倾。

基于STM32的平衡车设计文章鉴于平衡车在当今世界的发展热潮提出了一种设计方案。

文章基于STM32微处理器，通过卡尔曼滤波法和PID控制实现了两轮平衡车的自平衡控制。

该设计方案采用加速度计和陀螺仪共同采集获取姿态角，得到可靠的输出。

标签：平衡车；加速度计；陀螺仪；卡尔曼滤波；PID算法前言平衡车作为一种交通工具，广泛应用于航空、安保等领域。

鉴于其绿色、节能、方便、灵活、轻巧等优点，解决了很多诸如交通、能源、环保等问题带来的压力，平衡车作为一种理想的交通工具具有很大的市场。

随着现代科技的不断进步，对于市场上平衡车的响应的精确度和速度的要求不断提高，文章设计方案通过陀螺仪测量角度和角速度，并通过加速度计来矫正陀螺仪的角度漂移，实现了精确度的提高。

1 力学原理分析如图1所示，类比倒立摆，控制车轮做加速运动，得到车模恢复力：F=mgsin？兹-macos？兹≈mg？兹-mk1？兹（1）式（1）中k1是车轮加速度a与偏角θ的比例。

因为空气中存在摩擦力，即阻尼力，则式（1）变作：F=mg？兹-mk1？兹-mk2■ （2）可得：a=k1？兹+k2■ （3）式（3）中k1大于g，k2大于0；k1决定了车模平衡的位置，k2决定了车模的响应时间。

从上述数学模型中可以看出，只需知道车模的倾角及角速度，即可推得车轮的加速度，从而可以控制电机的转速，实现对车轮的正确控制。

2 控制系统设计控制系统的整体设计方案是：通过陀螺仪测得车模的倾角和角速度，加速度计用来消除陀螺仪角度漂移。

两者测得数据经过A/D转换输入到控制器中，经过卡尔曼滤波得到可靠的车模角度。

同时编码器测得车轮速度传递到控制器中。

处理器经过PID算法结合车模角度和车轮速度输出PWM控制量驱动电机运转，改变车轮的转速。

具体框图如图2所示。

图2系统整体采用PID控制算法，如图3所示。

在速度控制和角度控制中都使用了微分环节，目的是使车模快速的稳定下来，加快了响应时间。

基于MC9S12XS128的双轮平衡车控制系统设计［摘要］本文主要介绍了双轮平衡车的控制系统设计方案。

采用MC9S12XS128作为核心控制器，在此基础上增加了各种接口电路板组成整个硬件系统，包括单片机最小系统，直流驱动电机控制模块，电源管理模块，测速编码模块，人机交互等模块。

软件调试部分依次对应硬件各模块进行程序设计，包括A/D模块，PWM模块，ECT模块，PID控制算法，人机交互控制等。

完成车模的制作和软件设计后对整个控制系统进行调试，先阐述了调试的策略，再分别就现有调试工具条件下的软件和硬件调试进行了分析，对相应的调试方法做了基本的介绍。

最后根据调试情况对整个系统做了修改，基本达到设计要求。

［关键词］双轮平衡车；MC9S12XS128；模块设计；调试策略Based On MC9S12XS128 of the Two-wheeled BalancingVehicle Control System DesignElectrical Engineering and Automation Specialty CHEN MingAbstract: This article mainly introduces the balance of the Two-wheeled balancing vehicle control system design scheme. The MC9S12XS128 as core controller, on the basis of interface circuit board of increasing the hardware system, including single chip minimize system, dc motor control module, power management module, code modules speed, man-machine interaction module. Software debugging session in the corresponding module design program, including A/D module, PWM module, ECT module, PID control algorithm, the man-machine interactive control, etc. Accomplish the production and the software design draw after the whole control system for debugging, first expounds the commissioning of the strategy, second，different debugging tools under the conditions of existing software and hardware debugging are analyzed, the corresponding debugging method basic introduction. According to the situation of the whole system debugging have modified, basic to meet the design requirements.Key words: the Two-wheeled balancing vehicle; MC9S12XS128; MODULAR DESIGN ; Debugging strategy目录1 引言 (1)1.1 双轮自平衡小车的研究意义 (1)1.2 双轮自平衡小车的发展历程和现状 (1)1.2.1国外的研究成果 (2)1.2.2国内的研究成果 (2)1.3 本课题的研究内容和关键问题 (2)2 双轮平衡小车系统的总体概述 (3)2.1 系统组成 (3)2.2 系统各模块的主要功能 (3)2.3 系统的主要特点 (4)3 双轮平衡小车硬件电路设计 (4)3.1 整体电路设计 (4)3.2 单片机最小系统 (5)3.3 直流驱动电机控制电路 (6)3.4 电源模块电路设计 (6)3.5 测速编码电路设计 (7)3.5.1 陀螺仪电路 (8)3.5.2 编码器电路 (8)3.6 人机交互接口电路设计 (9)3.6.1CAN总线与LIN总线设计 (9)3.6.2通信接口设计 (10)3.6.3人机交互电路设计 (10)4 双轮平衡小车软件设计 (11)4.1 软件模块功能与框架 (11)4.1 A/D模块 (12)4.1.1A/D转换原理 (12)4.1.2A/D转换模块功能结构 (12)4.1.3A/D转换模块的编程步骤 (13)4.2 PWM模块 (13)4.2.1PWM的主要特点 (13)4.2.2PWM应用及初始化 (14)4.3 ECT模块 (14)4.4 PID控制算法 (15)4.4.1PID控制原理 (15)4.4.2 PID参数的整定 (16)4.5 人机交互 (16)4.5.1 LCD液晶显示 (16)4.5.2 矩阵键盘按键识别 (17)4.5.3 串口与上位机的通讯 (17)5 双轮平衡小车的系统调试 (18)5.1 调试策略 (18)5.1.1硬件调试 (18)5.1.2软件调试 (18)5.1.3综合调试 (18)5.2 串口调试 (18)5.2 监控调试 (20)5.3 无线调试 (21)5.3.1无限遥控开关 (21)5.3.2无线通信模块 (21)6 结论 (23)参考文献 (24)附录1：单片机最小系统原理图 (25)附录2：单片机最小系统电路图 (26)附录3：单片机最小系统PCB图 (26)致谢 (27)1 引言本章简要的介绍了两轮自平衡小车的起源与发展、研究意义以及国内外的研究现状，并依此提出了本论文研究的主要内容。

基于STM单片机的平衡车设计研究平衡车是一种能够自动保持平衡的个人交通工具，已经成为现代科技的焦点之一。

本文将基于STM单片机对平衡车进行设计研究。

我们需要明确平衡车的工作原理。

平衡车的核心原理是借助陀螺仪感应重力加速度，并通过控制电机来实现平衡。

在设计中，我们选择将STM单片机作为控制器，通过该单片机与陀螺仪和电机进行通信和控制。

我们需要选择适合的STM单片机作为控制器。

常用的STM单片机有STM32系列和STM8系列，我们需要根据平衡车的需求选择合适的型号和参数。

接下来，我们需要设计陀螺仪模块。

陀螺仪模块主要用于感应平衡车的姿态，并将姿态数据传输给STM单片机进行处理。

在设计中，我们可以选择MEMS陀螺仪传感器作为陀螺仪模块，并通过SPI或I2C接口与STM单片机进行通信。

然后，我们需要设计电机驱动模块。

电机驱动模块主要用于控制电机的转动，从而实现平衡车的平衡。

在设计中，我们可以选择使用电机驱动芯片作为电机驱动模块，并通过PWM信号控制电机的转速和方向。

我们还需要选择合适的电机作为平衡车的动力来源。

我们需要进行系统的整合和调试。

将陀螺仪模块、电机驱动模块和STM单片机进行连接，并进行软硬件的调试和优化。

通过合适的算法和控制策略，使得平衡车能够准确感应姿态并做出相应的动作，实现平衡和前进。

在设计研究中，我们还可以考虑添加其他功能和元件，如避障模块、动力监测模块等，进一步完善平衡车的性能和可靠性。

基于STM单片机的平衡车设计研究涉及到STM单片机的选择、陀螺仪模块的设计、电机驱动模块的设计以及整合和调试等步骤。

通过合适的硬件和软件设计，可以实现平衡车的自动平衡和运动控制。

平衡小车毕业设计任务书任务书一、任务背景平衡小车是一种智能控制的车辆，它可以通过各种传感器获取车辆自身的姿态信息，通过控制车辆的电机实现车辆的平衡控制。

平衡小车的应用领域非常广泛，包括工业自动化、军事防卫、人工智能、娱乐等多个方面。

二、任务目标本次毕业设计的任务是设计一款平衡小车，要求能够实现车辆的平衡控制、转向控制和速度控制，并具备一定的可拓展性和稳定性。

三、任务内容1.系统硬件设计（1）根据任务要求，设计平衡小车的硬件架构，包括主控板、电机、轮胎、传感器、电源等。

（2）选购所需的硬件元件，并进行组装和测试。

2.系统软件设计（1）设计平衡小车的控制算法，能够实现车辆的平衡控制、转向控制和速度控制。

（2）编写控制程序，并进行测试和优化。

3.系统调试与性能优化（1）对平衡小车进行调试和改进，确保车辆的稳定性和控制性能符合要求。

（2）对系统的各项指标进行测试评估，并进行优化和改进。

四、任务要求1.完成任务必须是独立完成，搭档完成或抄袭他人设计的作品，一经发现将会受到严厉惩罚。

2.本次设计要求学生具备扎实的电子技术、计算机技术和机械设计等方面的基础知识，要求熟练使用相关软件和硬件工具。

3.设计报告要求格式规范，内容详细且准确，要突出设计思路和方法，直观阐述系统的设计原理和关键技术。

五、成果展示1.设计成果要求通过实物演示和口头讲解的方式展示。

2.设计报告要求所有内容完整，并附带相关代码、调试记录、测试数据等。

六、任务时间为期一个学期，具体时间安排请参照所在学院的教学计划。

七、评分标准根据设计报告、实物演示和口头讲解的质量进行评分，具体评分标准请参照所在学院的规定。

八、其他事项本任务书从制定之日起开始执行，任务完成后需将设计报告和实物交给指导老师，等待评审结果。

如有违反任务规定或学术不端行为，将按照学院相关规定追究学术责任。

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。

2016年第8淛y信息疼甲文章编号=1009 -2552 (2016)08 -0025 -04 DOI：10.13274/ki.hdzj.2016. 08. 007基于单片机的两轮平衡车设计孙传开，罗飞(华南理工大学自动化科学与工程学院，广州510640)摘要：采用单片机MC9S12XS128作为控制器，结合陀螺仪ENC-03、三轴加速度计MMA7260 芯片，设计一个运行稳定、体积小、可匀速运动的两轮自平衡车。

通过介绍平衡车的平衡原理、系统架构以及软硬件设计，阐明两轮自平衡车的设计要点。

最后，通过系统理论分析以及实验 测试表明了这种设计方式的合理性和应用的可行性。

关键词：单片机；两轮自平衡；加速度计；陀螺仪；飞思卡尔中图分类号：TP368. 1文献标识码：AD e s ig n o f tw o-w h e e l c a r s y s te m b a s e d o n m ic r o c o n tr o lle rS U N C h u a n-k a i，L U O F e i(School of Automation Science and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou510640,China) Abstract ：This article mainly discusses design ol a small two-wheel sell-balancing car which can run stably in uniform motion,with microcontroller MC9S12XS128 as the controller and integrating an ENC-03 gyroscope as well as three-axis accelerometer MMA7260 chip.By introducing the balance principle of two-wheeled car control system，the overall structure of instrument and hardware as well as software design，it explains the design point of two-wheeled car control system.Finally，through the theoretical analysis and experimental tests it shows the feasibility and rationality of this design approach.Key words：microcontroller;two-wheeled car system；accelerometer；gyroscope;freescale0引言从交通工具到机器人研究，两轮车一直都广受 人们的关注，它不但可以大幅减少硬件成本而且对 空间以及能源的占用量也很少，具有很高的使用价 值和很大的应用前景。

第30卷第12期2020年12月长春大学学报JOURNAL OF CHANGCHUN UNIVERSITYVol.30No.12Dec.2020基于单片机的两轮自动平衡小车系统的设计杜丽敏，王岩（长春大学电子信息工程学院，长春130022）摘要：通过对倒立摆模型的受力分析，使两轮小车保持自平衡运行状态。

硬件上采用STM32F103ZET6单片机为核心控制器，利用MPU6050检测小车的速度和加速度，选择L298N驱动两个两相直流电机，采用霍尔测速码盘获得电机的转速，通过电磁检测电路实现电磁轨迹跟踪。

软件上采用PI和PD构成串级控制算法,MPU6050采集到的小车姿态数据经卡尔曼滤波进行数据处理。

最终实现了平衡车的稳定控制，完成了小车直立和行走功能。

关键词：两轮自动平衡小车；STM32F103ZET6；MPU6050；串级控制器；卡尔曼滤波中图分类号:TP273文献标志码:A文章编号：1009-3907（2020）12-0019-06两轮自动平衡车凭借其运动灵活、体积小巧、经济环保等优点逐渐被人们喜欢，并且在人们的生产生活中起着越来越重要的作用。

两轮自动平衡小车采用倒立摆工作原理,使小车保持平衡状态，其系统具有非线性、强耦合、不稳定等特点⑴。

因此,两轮自平衡车不仅在市场中有很大的价值和前景，在验证或校验控制算法和控制理论上更有一个很好的实验平台［2］。

文献［3-4］设计了基于LQR的最优控制器,该控制算法具有较快的动态响应速度，对于干扰具有良好的鲁棒性;文献［5］针对和LQR两种控制方法进行了对比分析，证明了前者在欠驱动系统的控制中具有一定的参考价值;文献［6］针对两轮平衡小车给出了硬件设计方案，以及基于PID的控制算法，实验中验证了设计方案的可行性。

本文主要研究了PID控制算法在两轮自动平衡小车中的应用。

首先，构建以STM32F103ZET6单片机为核心的两轮直立小车控制系统;其次，对两轮自动平衡小车进行了数学建模,验证了PD控制算法可以使小车保持直立稳定状态，进而基于PID设计了串级控制算法;最后将所设计的控制算法应用在了实物中，实现了小车的直立和行走功能。

基于STM单片机的平衡车设计研究1. 引言1.1 研究背景基于STM单片机的平衡车设计是一项重要的研究课题。

STM单片机具有低功耗、高性能和丰富的外设接口等优点，适合用于控制平衡车的设计。

而平衡车的原理主要是利用两个电机通过调节速度和方向来实现平衡状态的维持，具有一定的技术难度。

进行基于STM单片机的平衡车设计研究对于提升智能交通工具的性能和功能具有重要意义。

本研究旨在探索STM单片机在平衡车设计中的应用，通过详细分析硬件设计、软件设计和系统实现等方面，实现平衡车的自动平衡和精准控制，为未来智能交通工具的发展提供参考和借鉴。

1.2 研究目的本文旨在通过对基于STM单片机的平衡车设计进行研究，探讨其在嵌入式系统领域的应用和发展前景。

具体研究目的如下：1. 分析STM单片机在平衡车设计中的应用优势和特点，提高对该技术的了解和认识；2. 研究平衡车的工作原理，探讨其在实际应用中的重要性和实用性；3. 探讨平衡车硬件设计的关键问题和解决方案，优化系统性能和稳定性；4. 探讨平衡车软件设计的关键技术和算法，提高系统的智能化和自主性；5. 探讨基于STM单片机的平衡车系统实现过程，总结设计经验和技术经验；6. 总结设计过程中的问题和挑战，提出改进建议和未来发展方向。

2. 正文2.1 STM单片机概述STM单片机是指由意法半导体公司（STMicroelectronics）推出的一系列基于ARM Cortex-M内核的微控制器。

该系列单片机以其高性能、低功耗和丰富的外设功能而广受欢迎，被广泛应用于各种嵌入式系统中。

STM单片机具有丰富的外设接口，包括通用输入输出引脚、定时器、串行通信接口、模拟模块等，使其可以灵活地连接各种传感器和执行器，并实现复杂的控制功能。

STM单片机支持多种编程语言和开发环境，如C语言、Keil、IAR等，为开发者提供了各种选择。

在平衡车设计中，STM单片机通常被用来作为控制核心，负责监测车体姿态、接收传感器数据、计算控制指令并驱动执行器进行调整。

摘要近年来，两轮自平衡机器人的研究取得了快速的发展，两轮自平衡小车的动力学系统是一种多变量、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，必将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。

本文主要介绍了基于Freescale MC9S12XS128单片机为控制核心的两轮自平衡小车系统，以验证经典的PID控制在动态平衡系统上的控制效果。

在该系统上，姿态传感器采用MPU6050，单片机在采集到姿态数据后，采用Kalman滤波器对得到的数据进行融合，并在此基础上分析不同滤波方法的效果。

借助增量式PID控制PWM的输出和利用TB6612FNG控制电机的转向以及转速，从而实现了小车的自平衡控制。

关键词：两轮自平衡系统； Kalman滤波；数据融合； HCS12； MPU6050 .Design and implementation of two-wheeled self-balancing vehicleAbstractIn recently years, the research of two-wheeled self-balancing robot has made a rapid development, the dynamics system of two-wheeled self-balancing vehicle is a multivariable, nonlinear, strong coupling system, and also ，it’s a typical devices to test a variety of control methods. Because of it has a small, flexible movement and zero turning radius. It will have a wide range of applications in military and civilian fields.In the article, it describes the Freescale MC9S12XS128 microcontroller-based control of two-wheeled self-balancing vehicle system to verify the classic PID control system in the dynamic balance . On this system, It used MPU6050 as the car state sensing system, and it used the Kalman filter to fuse the obtained angle data, and analyzed the effect of different filtering methods based on this. With incremental PID control PWM output and use TB6612FNG steering and speed control motors, enabling the car's self-balance control finally.Keywords: two-wheeled self-balancing system; the Kalman filter;HCS12;MPU6050目录摘要 (1)第1章绪论 (4)1.1 两轮自平衡机器人概述 (4)1.2 两轮自平衡机器人的发展 (4)1.3 方案论证及选择 (5)1.4 关键技术及目标 (6)1.4.1 姿态数据处理 (6)1.4.2 控制算法的实现 (7)1.4.3 目标 (7)第2章两轮自平衡小车的原理 (8)2.1 小车的直立控制 (8)2.2 倾角与角速度的测量 (12)2.3 本章小结 (12)第3章电路设计 (13)3.1 整体电路框图 (13)3.2 电源电路 (14)3.3 单片机最小系统 (15)3.3.1 S12单片机简介 (15)3.3.2 MC9S12XS128最小系统电路 (15)3.4 MPU6050 (16)3.4.1 MPU6050简介 (16)3.4.2 I2C通信 (17)3.5 电机驱动电路 (17)3.5.1 驱动芯片介绍 (17)3.5.2 驱动电路设计 (18)3.6 速度传感器电路 (19)3.6.1 光电编码器介绍 (19)3.7 无线遥控电路 (19)3.7.1 Pt2262简介 (19)3.7.2 Pt2262应用 (20)3.8 液晶显示电路 (21)3.8.1 LCD1602简介 (21)3.8.2 LCD1602电路 (21)3.9 车模控制电路全图 (22)3.10 本章小结 (24)第4章系统软件设计 (25)4.1 控制算法介绍 (25)4.2 S12单片机初始化 (26)4.2.1 锁相环初始化 (26)4.2.2 PWM模块初始化 (26)4.2.3 串行通信初始化 (26)4.2.4 外部中断初始化 (27)4.3 PID控制的实现 (27)4.4 姿态数据处理 (27)4.4.1 角度计算函数 (27)4.4.2 滤波方法分析与选择 (27)4.5 小车的运动控制 (31)4.6 无线遥控 (31)4.7 本章小结 (31)第5章系统调试 (33)5.1 软件调试工具 (33)5.2 系统调试工具 (33)5.3 系统硬件电路调试 (33)5.4 姿态检测模块调试 (33)5.5 Kalman滤波器参数的整定 (35)5.6 PID参数的整定 (35)5.7 本章小结 (36)第6章总结 (37)6.1 总结与展望 (37)参考文献 (39)附录 (41)附录一系统主控板 (41)附录二系统核心源码 (42)致谢 (45)第1章绪论两轮自平衡系统最早可追溯到上世纪80年代，日本电气通信大学的山藤一雄教授提出的基于倒立摆原理的自动站立机器人的模型被认为是两轮自平衡小车的构思起源。

两轮自平衡小车的设计摘要最近这几年来，自平衡电动车的研发与商用获得了快速发展。

自平衡车具有体积小，运动十分灵活，便利，节能等特点。

本文提出了一种双轮自平衡小车的设计方案，机械结构采用了双轮双马达驱动；控制主要采用的是反馈调节，为了使车体更好的平衡，使用了PID调节方式；硬件上采用陀螺仪GY521 MPU-6050来采集车体的旋转角度以及旋转角加速度，同时采用了加速度传感器来间接测量车体旋转角度。

采用意法半导体ST公司的低功耗控制器芯片stm32作为主控，采集上述传感器信息进行滤波，分析等操作后进而控制马达的驱动，从而达到反馈调节的闭环，实现小车的自动平衡。

系统设计，调试完成后，能够实现各个功能部件之间协调工作，在适度的干扰情形下仍然能够保持平衡。

同时，也可以使用手机上的APP通过蓝牙与小车通信控制小车的前进和后退以及转弯。

关键词：自平衡小车陀螺仪传感器滤波APPDesign of Two-Wheel Self-Balance VehicleAbstractIn the last few years, with the development of commercial self balancing electric vehicle was developed rapidly. Self balancing vehicle has the advantages of small volume, the movement is very flexible, convenient, energy saving etc.. This paper presents a two wheeled self balancing robot design, mechanical structure adopts double motor drive; controlled mainly by the feedback regulation, in order to make the balance of the body better, with the PID regulation; hardware using gyroscope GY521 mpu-6050 to collect the rotation angle of the car body and the rotation angle acceleration. At the same time, acceleration sensor to measure indirectly body rotation angle. St, the low power consumption controller STM32 chip used as the main control, collecting the sensor information filtering, analysis backward and control motor drive, so as to achieve close loop feedback regulation, the realization of the car automatic balance. System design, debugging is completed, the coordination between the various functional components can be achieved, in the case of moderate interference can still maintain a balance. At the same time, you can also use the APP on the mobile phone with the car to control the car's forward and backward and turning.Key Words: Self balancing car gyroscope sensor filter APP目录1.绪论 (1)1.1研究背景与意义 (1)1.2自平衡小车的设计要点 (1)1.2.1整体构思 (1)1.2.2姿态检测系统 (1)1.2.3控制算法 (2)1.3本文主要研究目标与内容 (2)1.4论文章节安排........................................................................................ 错误!未定义书签。

基于MSP430F149单片机的两轮自平衡小车的设计与研究摘要两轮自平衡小车类似于传统的倒立摆，其本身是不稳定的，必须施加强有力的控制手段才能使之稳定，是研究各种控制方法的一个理想平台。

其工作原理是系统通过陀螺仪和加速度传感器整合出当前车身较精确的与垂直方向的偏角和小车的运行加速度，利用光电编码器测得当前运行速度。

依据运动学原理，通过微控制器计算出适当的数据，输出相应占空比的PWM波形驱动电机以适当的速度运行，从而来维持车体的平衡。

本文选用MSP430F149单片机为控制器，光电编码器来测得车体当前速度，MPU-6050测得车体的角加速度和运行加速度，并通过带有减速器的直流电机实现小车的平衡控制。

关键词：两轮自平衡小车，陀螺仪，加速度计，MSP430F149，光电编码器，PWMABSTRACTTwo-wheeled self-balancing car is similar to that of a traditional inverted pendulum, which itself is not stable whom must be exerted strong control to make .It is an ideal platform for the research of various control methods. Its working principle is through the system of gyro and acceleration sensor integrated operation of the body of vehicle acceleration accurately and the angle, measured its speed by the photoelectric encoder. Through the single-chip microprocessor to calculate the appropriate data based on kinematics, and output the corresponding PWM waveform to drive motor running at an appropriate rate in order to maintain body balance. This paper chooses MSP430F149 MCU as the controller, photoelectric encoder to measure the velocity, MPU-6050 as the gyro and acceleration sensor, and the DC motor with reducer to realize the control system of car.Keywords: gyroscope, accelerometer, MSP430F149, photoelectric encoder, PWM，self-balanced two-wheel vehicle目录2 自平衡小车自平衡设计原理 ------------------------------------------ 0自平衡小车直立控制------------------------------------------------------------------------------------------ 0自平衡小车速度控制------------------------------------------------------------------------------------------ 2 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 7 3 自平衡小车硬件电路的设计 ------------------------------------------ 7 MSP430F149单片机最小系统 ------------------------------------------------------------------------------- 7 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 MPU6050电路 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 9供电电源电路-------------------------------------------------------------------------------------------------- 10 4 自平衡小车软件分析设计 ------------------------------------------- 10系统程序结构分析 ------------------------------------------------------------------------------------------- 10 IIC通信程序设计 -------------------------------------------------------------------------------------------- 11计数程序设计-------------------------------------------------------------------------------------------------- 13 PID调节器程序设计----------------------------------------------------------------------------------------- 13卡尔曼滤波器程 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 14 5 结论 ------------------------------------------------------------- 16参考文献 ----------------------------------------------------------- 17致谢 ----------------------------------------------- 错误!未定义书签。