單片機控制單軸雙輪自動平衡小車設計開題報告剖析

1、 畢業(yè)設計（論文）開題報告 題 目：單片機控制單軸雙輪自動平衡小車設計 系 別：電氣工程系 專 業(yè)：電氣工程及其自動化 班 級： 學 號 學生姓名： 指導教師： 2016年 3月8 / 8文檔可自由編輯中原工學院信息商務學院畢業(yè)論文（設計）開題報告論文（設計）題目單片機控制單軸雙輪自動平衡小車姓名系別電氣工程系專業(yè)班級電氣121學號61選題目的和意義：平衡車是一個不穩(wěn)定、強耦合、非線性系統(tǒng)，對平衡車的研究有利于我們更熟練得運用自動控制理論，并且發(fā)展更可靠穩(wěn)定的控制方法。在實際應用中，平衡車由于體積小，靈活方便，不管是在軍用或者民用領域都有廣闊的應用空間，兩輪自平衡小車可以作為一種小范圍的移動式

2、服務平臺。通過本課題的研究學習，會使自己更加了解單片機，熟悉電子電路，提升自己的對整個設計的把握，更透徹的掌握自動控制方法。2本選題在國內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢： 國外方面：JOE是瑞士研制的用DSP和FPGA控制并基于倒立擺理論雙輪車。通過傾斜傳感器和傾角傳感器來檢測車體。通過電機上的編碼盤檢測電機的速度。采用了基于狀態(tài)反饋的線性控制策略，車的運動被分解成直線和旋轉(zhuǎn)運動，然后分析直線運動和旋轉(zhuǎn)運動，得到電機需要的控制量，最終把控制量耦合疊加。他主要的設計思想依然是：使車子朝車體傾斜的方向運動來保持車身的平衡。主控芯片是HC11微處理器，此處理器是DavidP.Anderson專門的針對nBo

3、t車設計的。傳感器在得到車的車身信息后，再比例整合，當作模糊控制器的輸入，按照之前設定的控制原則得到兩個電機需要的PWM電壓。該控制只能能讓小車平衡運動，而不能讓小車自主直立。 Segway擁有更多的姿態(tài)傳感器，它有5個陀螺儀傳感器，然而事實是檢測車身前傾斜只需要3個傳感器就夠了，其他的兩個傳感器只是增加安全性。傳感器的信息會被傳送到一個電路板，這個電路板是微處理器的集群，效率是個人電腦的三倍。這個集群是為了保證本載人平衡車在其中任何一個處理器出現(xiàn)問題時能報告錯誤，給駕駛者以處理問題的時間余量，保證了平衡車的安全性。國內(nèi)方面：哈工大尹亮制作的雙輪移動車Sway，車身傾斜度采用AD推出的雙軸加速

4、度傳感器ADXL202及反射式紅外線距離傳感器來獲得?；赑WM動態(tài)控制直流電機的速度。車與上位機間的數(shù)據(jù)通信使用PTR2000超小型超低功耗高速無線收發(fā)數(shù)傳MODEM。人機交互界面使用圖形液晶點陣、方向搖桿、按鍵。依靠這些可靠并且完備的硬件，使用獨特的軟件算法，最終實現(xiàn)Sway的數(shù)據(jù)交換和平衡直立控制。上海交通大學的孔祥宣于2007年研制了一輛自主式雙輪動態(tài)平衡移動機器人,。它由機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)兩個部分。機械部分包括：兩輪、減速機構(gòu)、底盤、高速轉(zhuǎn)子、本體、框架等，負責實現(xiàn)機器人的機構(gòu)功能、承載硬件電路、搭建工作平臺；控制系統(tǒng)部分包括：電機、驅(qū)動器、傳感器。機器人的控制器采用DSP與CPLD

5、高度集成的SoB（SystemonBoard）系統(tǒng)，雙輪動態(tài)平衡車的特點是有一個高速自轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。發(fā)展趨勢：平衡車正在朝著越來越智能化的方向的發(fā)展，已經(jīng)提出了眾多的解決平衡控制的方案。未來平衡車必將越來越小巧輕便，配備更完善的人機交互介面。另外，兩輪自平衡車的應用前景將會十分的廣泛，未來的目標是制造出外形結(jié)構(gòu)簡潔，并且具有穩(wěn)定自平衡性能的平衡車，還能有方便的駕駛模式，必將方便大家的出行。3主要研究內(nèi)容：小車的硬件設計：設計最終使用STM32F103C8T6，讀取mpu6050的數(shù)據(jù)時通過IIC接口，獲得小車的姿態(tài)，接下來的過程是主控芯片通過PID控制給電機輸出PWM控制信號，電機驅(qū)動模塊芯片TB

6、6612接受到PWM信號之后再完成對電機的控制。另外，為了調(diào)試方便，除了設計了上述給模塊外，還擴展了JLINK接口，使用的是SWD模式，用于仿真調(diào)試。因為需要記錄數(shù)據(jù)和繪出數(shù)據(jù)波形，查看濾波和PID效果。所以擴展了串口電路?？刂葡到y(tǒng)的設計：整個控制過程分為以下幾步，第一步，主控芯片STM32首先采集姿態(tài)傳感器MPU6050的數(shù)據(jù)，經(jīng)過卡爾曼濾波，就得到了車身的姿態(tài)信息，第二步，根據(jù)此角度做PID調(diào)節(jié)，得到小車兩個電機的PWM脈寬，再調(diào)整輪子速度，使它的俯仰角為零。之后就是重復采集、處理、調(diào)節(jié)、處理這一過程。然后，在這個基礎上，給兩電機加PWM值，就會實現(xiàn)小車的前進，倒退。軟件設計流程是：首先單

7、片機初始化，在獲取車身姿態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過卡爾曼融合算法，PID控制完成小車直立速度控制。主要算法：PID控制算法：這里首先形象的分別說明一下P、I、D控制的區(qū)別，以利于我們建立起感性認識P為比例控制，使以最快的速度達到目標。I為積分控制，使誤差為0而起調(diào)和作用。D為微分控制，可以加快調(diào)節(jié)進程。PID控制算法是應用最為普遍的一種算法，其特點是構(gòu)造簡單，應用有效及具備了許多成熟的穩(wěn)定性分析的方法，有很高的可靠性。針對兩輪自平衡小車的非線性和不穩(wěn)定性，利用非線性PD控制算法和PID差動結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)小車的平衡控制和運動控制；卡爾曼濾波：姿態(tài)檢測系統(tǒng)中的重點必然又是卡爾曼濾波。為了方便調(diào)試，小車經(jīng)串口向PC

8、機發(fā)濾波前后傾角數(shù)據(jù)，通離散的數(shù)據(jù)點描繪可以直接對比濾波效果。卡爾曼濾波整定參數(shù)有：卡爾曼增益、加速度計和陀螺儀權(quán)值。經(jīng)過濾波之后，含有噪聲的波形變得平穩(wěn)。4完成論文的條件、方法及措施，包括實驗設計、調(diào)研計劃、資料收集、參考文獻等內(nèi)容： 條件方法和措施：小車的最初設計方案比較；設計單片機最小系統(tǒng)電路原理圖；對小車單片機最小系統(tǒng)STM32進行最初的使用練習，例如簡單地點亮LED燈、定時器初始化、數(shù)碼管顯示等；進行整個系統(tǒng)的整體工作原理的細致分析，建立設計思路，設計總體方案，硬件工作原理分析，各元器件引腳功能資料收集，主程序設計；學習本設計涉及到的主要算法包括PID控制算法；卡爾曼濾波，可以參考原

9、來已有的單片機控制單軸雙輪自動平衡小車PID參數(shù)設定方法和經(jīng)驗。 實驗設計：整個設計流程以STM32單片機為核心，選用了與該主控芯片相融和的其他幾個必要的模塊。姿態(tài)傳感器模塊電路測算小車車身姿態(tài)信息、并把信息提供給主控芯片STM32。主控芯片STM32是整個小車模型的大腦，在接收到小車車身信息之后，與預先設定車身平衡數(shù)據(jù)進行比較，計算出小車需要調(diào)整的余量，轉(zhuǎn)化成PWM控制信號，輸出給電機驅(qū)動電路模塊，電機驅(qū)動模塊在接收到PWM信號之后再完成對電機的控制，電機上的編碼器測速模塊采集到電機速度信息，再把信息反饋給主控芯片STM32。重復這樣一個過程，完成車模的直立平衡控制、直立運動控制，依靠藍牙模

10、塊發(fā)送對整個小車的運動控制命令。選用基于ARM的STM32F10X系列單片機，這是一系列功能更強大的數(shù)據(jù)處理能力更強的主控芯片，必將會為之后平衡車的功能拓展提供方便。整個設計采用模塊化的思想，這也正好切合了設計之初的想法，為實現(xiàn)小車更多功能的擴展提供方便。隨著課題研究的深入，還會遇到更多更大的困難，在將來的學習中，帶著這些問題和困難查閱各種資料，并向有經(jīng)驗的老師和同學求教，爭取早日解決，以更好的完成對本課題的設計工作。調(diào)研計劃：第1-2周：文獻查找，主要是建立平衡車系統(tǒng)總體方案設計的雛形；第3-5周;確定主要硬件電路各部件的選型，以及總體方案的設計；第6-8周：硬件電路設計及部分電路制作；第9

11、-11周：編寫系統(tǒng)控制程序及進行初步的系統(tǒng)調(diào)試；第12-15周：總結(jié)整個設計過程中的不足之處，完成設計報告。參考文獻1 王曉宇.兩輪自平衡機器人的研究D.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,20072Googol TechnologyLTD.GoogolTechnologySelf-BalancingRobotGBOT1001UserManualV1.0CD.20073Tony,Liao,Deog.VariableStructureControlforStabilizingDoubleInvertedPendulumC.2008InternationalConferenceonIntelligentCom

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