单片机控制的双轮平衡小车(附件)【字数：9341】
摘 要本文研究的双轮自平衡小车是一种两轮左右平衡运行的小车，也是一种本质不稳定的轮式移动机器人。它有着与传统的倒立摆相同的特性，即具有非线性、多变量、强涡合和参数不稳定等性质，必须对其施加有效的控制手段才能保持它自身的稳定。这使得它成为检验各种控制理论的理想平台。结构的简单化，适应环境能力的强大，在弯道上的优越性都使得双轮自平衡小车的研究具有深远的意义，应该大力推广双轮自平衡小车在实际生活和工作中的应用。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景和研究意义 1
1.2国内外研究现状 1
第二章 基于MSP439F149单片机控制的双轮平衡小车设计 3
2.1设计原理 3
2.2双轮小车的机械系统设计 3
2.3双轮小车的电气系统设计 4
2.4双轮小车的软件系统设计 15
第三章 模糊系统的建立 20
3.1模糊控制原理 20
3.2模糊控制器设计 20
第四章 仿真检测 23
4.1仿真环境介绍 23
4.2 联合仿真控制系统 24
4.3仿真结果分析 26
结束语 30
致 谢 31
参考文献 32
第一章 绪论
1.1研究背景和研究意义
自机器人技术诞生以来，机器人一直是研究者关注的课题。伴随着人类社会文明的不断进步，传感器的使用技术、计算机的应用技术、机械应用学、微电子现实生活应用技术、通信操作联系技术与仿人工学应用技术等多门学科现实应用技术都得以提升，伴随着技术的提升，机器人技应用术学科也被下属分类成了许多分支。轮式移动机器人便是这里面的重要代表分支。它具有的优势点是：高数值的移动速度使其在平坦的运行环境下具有不可比拟的优势，而且此类型机器人在现实生活中已经获得了大规模的应用。与此同时，滚轮式样的仿真人型机器的发挥和使用程度不断加深，相应的，更严格的要求也在向机器人的研究提出。机器人的工作环境也变得越来越严酷，那么在这样的情况下，机器人的实用性成为具有实际意义的话题。在这个前提下，我们根据实际的需求提出了这个双轮小车的应用概念。 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
两轮自平衡车卓越的优点是它采用了两个同轴同时转动的轮胎、单独的传送带动工作模式，重心是放在车身上面的轮轴上，使车身保持平衡，由车轮前后移动，并能在车体达到垂直的时候，继续工作。在实际应用方面，两轮自平衡小车主要有如下使用优点:
（1）简易的车身构成，工作环境众多;
（2）使用方式简单，符合大多数人的使用习惯;
（3）工作功率要求不大，达到了能源的节约的目的;
（4）占据的使用空间较小，在实际生活的使用过程中，更加的灵活，操作性强;
（5）小车本身可以实现多种角度的灵活转动，使用起来更加的具有高实用性。
具备了上述的优点，小车得以在多种领域得到了发挥。，在战争方面，作为检测战场的工具，在实际生活领域方面，作为无人巡逻车使用，在体育场上，作为载人工具使用，在医疗方面，给残疾人带来方便。
1.2国内外研究现状
（1）国外研究现状
1986年，日本的电通大学的著名教授山腾一熊提出了双轮平衡小车这一结构性概念，在1987年，有他本人提出申请专利，同年6月份，该专利申请得到通过。受限制于当时技术发展状况，该小车并不能实现重心的调节，只能在制定设制好的轨道上做单一的来回行驶，而且倾斜情况严重，这款小车后来被其本人称之为平行自行车。
2003年，美国南曼瑟迪斯特大学地球物理学图像研究所的David P.Anderson设计的双轮自平衡机器人nBot，获得了NASAs“Cool Robot of the Week”，的称号。
国内研究现状
2002年，台湾国立中央大学研究成功了一款两轮自平衡机器人，高440 mm，宽500 mm。该机器人的运行流程是通过将车体的姿态信息，借助陀螺仪和倾角传感器采集以上数据，然后通过无线方式发送给上位机，利用模糊算法处理后，将得到数据发送给机器人执行操作。
2005年，哈尔冰大学相应的研究出一辆自平衡小车，小车的具体工作条件是，先获取到车体的行驶状态实时数据，紧接着输入到DSP2047处理器中，得到电机的相应操控量，输入到驱动器中进行电机的控制。驱动器还会实时检测电机的转速。
2006年，西安电子科技大学制作了一个双轮自平衡小车。该车的特殊点在于它是由一个防倾倒系统和两个并行的滚轮驱动，倾斜角度传感器，加速度传感器和光电码盘构成了小车的平衡系统，小车的平衡效果是由小车车体的滑块来控制小车的质心。
第二章 基于MSP439F149单片机控制的双轮平衡小车设计
复杂的机电系统是双轮平衡小车的本质。从三个方面对该小车进行操作设计：机械研究设置系统、电气研究系统和软件方面的要求。机械研究设置系统研究的主要方向是为汽车提供一个可以让其达到平衡的平台，因此这个结构在设计上要达到符合自平衡的要求，同时并不阻碍小车的转动自由；电气研究程序主要由微端控制处理器、传送感受器、外圈电路、直流无刷电机等几部分组成；要想使控制算法在硬件系统中得以实现，并且还要能够让控制器在平台上实现设计成功，就必须使用C语言进行编程。对于研究成功一个完整的平衡小车研究投入实际应用的过程中，必须将各个部分进行分部计算和整合。
2.1设计原理
本文设计的双轮小车能够实现自平衡的原因在于: 车体姿态感知系统能够感知到小车的车体变化，并将该数据发送到MSP430F149单片机，从模糊设计发现控制电机控制表，进而控制电机的驱动，使身体相应向前旋转至平衡位置调整；移情的车身，向后倾斜，车轮倒退。两轮自平衡车始终处于处理车体倾斜角度和规整小车行驶角度的运行中，达到一直处于平衡的目的。
2.2双轮小车的行驶系统设计
PROE 3D模型图如下，两轮自平衡小车的：
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景和研究意义 1
1.2国内外研究现状 1
第二章 基于MSP439F149单片机控制的双轮平衡小车设计 3
2.1设计原理 3
2.2双轮小车的机械系统设计 3
2.3双轮小车的电气系统设计 4
2.4双轮小车的软件系统设计 15
第三章 模糊系统的建立 20
3.1模糊控制原理 20
3.2模糊控制器设计 20
第四章 仿真检测 23
4.1仿真环境介绍 23
4.2 联合仿真控制系统 24
4.3仿真结果分析 26
结束语 30
致 谢 31
参考文献 32
第一章 绪论
1.1研究背景和研究意义
自机器人技术诞生以来，机器人一直是研究者关注的课题。伴随着人类社会文明的不断进步，传感器的使用技术、计算机的应用技术、机械应用学、微电子现实生活应用技术、通信操作联系技术与仿人工学应用技术等多门学科现实应用技术都得以提升，伴随着技术的提升，机器人技应用术学科也被下属分类成了许多分支。轮式移动机器人便是这里面的重要代表分支。它具有的优势点是：高数值的移动速度使其在平坦的运行环境下具有不可比拟的优势，而且此类型机器人在现实生活中已经获得了大规模的应用。与此同时，滚轮式样的仿真人型机器的发挥和使用程度不断加深，相应的，更严格的要求也在向机器人的研究提出。机器人的工作环境也变得越来越严酷，那么在这样的情况下，机器人的实用性成为具有实际意义的话题。在这个前提下，我们根据实际的需求提出了这个双轮小车的应用概念。 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
两轮自平衡车卓越的优点是它采用了两个同轴同时转动的轮胎、单独的传送带动工作模式，重心是放在车身上面的轮轴上，使车身保持平衡，由车轮前后移动，并能在车体达到垂直的时候，继续工作。在实际应用方面，两轮自平衡小车主要有如下使用优点:
（1）简易的车身构成，工作环境众多;
（2）使用方式简单，符合大多数人的使用习惯;
（3）工作功率要求不大，达到了能源的节约的目的;
（4）占据的使用空间较小，在实际生活的使用过程中，更加的灵活，操作性强;
（5）小车本身可以实现多种角度的灵活转动，使用起来更加的具有高实用性。
具备了上述的优点，小车得以在多种领域得到了发挥。，在战争方面，作为检测战场的工具，在实际生活领域方面，作为无人巡逻车使用，在体育场上，作为载人工具使用，在医疗方面，给残疾人带来方便。
1.2国内外研究现状
（1）国外研究现状
1986年，日本的电通大学的著名教授山腾一熊提出了双轮平衡小车这一结构性概念，在1987年，有他本人提出申请专利，同年6月份，该专利申请得到通过。受限制于当时技术发展状况，该小车并不能实现重心的调节，只能在制定设制好的轨道上做单一的来回行驶，而且倾斜情况严重，这款小车后来被其本人称之为平行自行车。
2003年，美国南曼瑟迪斯特大学地球物理学图像研究所的David P.Anderson设计的双轮自平衡机器人nBot，获得了NASAs“Cool Robot of the Week”，的称号。
国内研究现状
2002年，台湾国立中央大学研究成功了一款两轮自平衡机器人，高440 mm，宽500 mm。该机器人的运行流程是通过将车体的姿态信息，借助陀螺仪和倾角传感器采集以上数据，然后通过无线方式发送给上位机，利用模糊算法处理后，将得到数据发送给机器人执行操作。
2005年，哈尔冰大学相应的研究出一辆自平衡小车，小车的具体工作条件是，先获取到车体的行驶状态实时数据，紧接着输入到DSP2047处理器中，得到电机的相应操控量，输入到驱动器中进行电机的控制。驱动器还会实时检测电机的转速。
2006年，西安电子科技大学制作了一个双轮自平衡小车。该车的特殊点在于它是由一个防倾倒系统和两个并行的滚轮驱动，倾斜角度传感器，加速度传感器和光电码盘构成了小车的平衡系统，小车的平衡效果是由小车车体的滑块来控制小车的质心。
第二章 基于MSP439F149单片机控制的双轮平衡小车设计
复杂的机电系统是双轮平衡小车的本质。从三个方面对该小车进行操作设计：机械研究设置系统、电气研究系统和软件方面的要求。机械研究设置系统研究的主要方向是为汽车提供一个可以让其达到平衡的平台，因此这个结构在设计上要达到符合自平衡的要求，同时并不阻碍小车的转动自由；电气研究程序主要由微端控制处理器、传送感受器、外圈电路、直流无刷电机等几部分组成；要想使控制算法在硬件系统中得以实现，并且还要能够让控制器在平台上实现设计成功，就必须使用C语言进行编程。对于研究成功一个完整的平衡小车研究投入实际应用的过程中，必须将各个部分进行分部计算和整合。
2.1设计原理
本文设计的双轮小车能够实现自平衡的原因在于: 车体姿态感知系统能够感知到小车的车体变化，并将该数据发送到MSP430F149单片机，从模糊设计发现控制电机控制表，进而控制电机的驱动，使身体相应向前旋转至平衡位置调整；移情的车身，向后倾斜，车轮倒退。两轮自平衡车始终处于处理车体倾斜角度和规整小车行驶角度的运行中，达到一直处于平衡的目的。
2.2双轮小车的行驶系统设计
PROE 3D模型图如下，两轮自平衡小车的：
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