两轮自平衡小车的设计与实现(附件)【字数：9954】
摘 要在我设计的两轮自平衡小车系统内，小车的主控板采用MCF52255CAF80作为主控制器，通过此模块可以实现自平衡二轮车的数据处理以及对各个模块的控制，通过自主完成系统的硬件与软件系统设计后，将小车的各个模块组装整合到一起，最终通过蓝牙连接实现在手机端对小车的操控。平衡车在行驶的过程中不需要人为的进行手动的操控。小车在完成硬件系统与软件系统的设计与组装调试之后，各个模块能够互相协调并正常工作，最终实现小车在无外力条件的干预条件下实现自主平衡。与此同时，在有外力以及环境的干扰下小车能够通过调整自身的数据实现自主调整并迅速的恢复原有的运行状态。通过手机端的控制，小车还可以实现前进、后退，加速、刹车、左右转等基本动作。
目 录
第一章 绪论 1
1.1自平衡二轮车的背景和意义 1
1.2自平衡二轮车国内外的发展状况 1
1.2.1自平衡二轮车在国外的研究现状 1
1.2.2自平衡二轮车在国内的研究现状 2
第二章 系统原理分析 3
2.1控制系统要求分析 3
2.2平衡系统控制分析 3
2.2.1车体平衡控制 4
2.3姿态检测系统 6
2.3.1陀螺仪 6
2.3.2加速度计 6
2.3.3基于卡尔曼滤波的数据融合 7
2.4本章小结 8
第三章 系统硬件电路设计 9
3.1陀螺仪和加速度计模块的电路设计与分析 9
3.1.1陀螺仪的简要介绍 9
3.1.2加速度计的简要介绍 9
3.1.3陀螺仪与加速度计模块电路图 9
3.2单片机最小系统电路设计 10
3.2.1MCF52255CAF80最小系统电路设计 10
3.3电机驱动电路设计 10
3.3.1驱动电路设计 11
3.3.2驱动电路的设计原理图 11
3.4电源模块的设计与分析 12
第四章 系统软件设计 13
4.1软件系统总体结构 13
4.2 PID控制算法 13
4.3姿态检 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
测系统的软件设计 15
4.3.1陀螺仪与加速度计输出值转换 15
4.3.2卡尔曼滤波器的软件实现 15
4.4两轮自平衡车的运动控制 16
第五章 系统调试工具 17
5.1系统软件开发工具 17
5.2系统硬件PCB设计工具 17
5.3蓝牙无线传输模块 18
5.4上位机调试软件 19
5.5两轮自平衡小车实物图 19
5.6手机控制端的界面图 20
结束语 24
致 谢 26
参考文献 27
第一章 绪论
1.1自平衡二轮车的背景和意义
人类自三次工业革命后，社会生产力得到了飞快的发张，科技逐渐成为人类社会发展的组要推动。电动车正是在这样的背景下应运而生。由于地球化石燃料的的储备愈发的减少，以及人类环保意识的不断增强，廉价的电力能源成为了日后交通运输方面的首选。“电动车”将在日后成为人类在交通运输方面的首要选择。从目前的市场现状来看，电动车占据了较为大的比重，其种类也是多种多样：中国新型研发的电驱动高铁动车、电驱动汽车、电驱动摩托车、电驱动汽车等。两轮自平衡机器人的设计理念就是在这样的背景下产生的。这种机器人因为其系统设计简单，结构较为单一，刚一问世就收到了世界各国爱好者和研究这的关注，为世界各国的研究者提供了较高的研究价值。
这种机器人在工作时候，两个轮子的几何中心在同一轴线上，每个轮子能够分别的形成驱动，通过两个轮子的互相协调运动可以最终实现在车身平衡的前提下正常行驶。于此同时，小车能够在不同的环境地形下通过自主调节，实现正常的功能实现。因此，它能够胜任在复杂环境下正常工作，为人类减少许多的麻烦与危险。
1.2自平衡二轮车国内外的发展状况
1.2.1自平衡二轮车在国外的研究现状
两轮自评很小车这一概念最早是由日本电信大学教授山藤一雄在1987年提出的，最初的概念就是利用数字处理器来研究平衡的状态与改变。通过对数据的调试来维持小车的平衡。进入21世纪以后，机器人爱好者对两轮自平衡小车的关注以及研究愈发的增加。“赛格威”就是由之后的美国发明家狄恩?卡门与他的DEKA研发公司研发出的[15]。目前该款平衡小车已投入市场且得到了相应的使用。
目前市场上较为流行的一款平衡小车如下图11所示。研究者在研究平衡的过程中以人类的行为活动作为观察的对象[13]，通过研究并分析人类走路时候的外在表现，领悟到人类体内灵敏的平衡器官可以精确地判断出身体重心的改变量，这也是人类可以正常行走的关键。人类得以正常行走是通过前倾、往前踏脚、前倾、往前踏脚的动作循环。
图11 两轮平台电动车Segway
1.2.2自平衡二轮车在国内的研究现状
台湾国立中央大学设计的两轮自平衡机器人整体外观如图12所示，两轮自平衡机器人车体，FPGA及个人电脑是构成该机器人三个主要部分，车体是由摆杆、支架和电机三部分构成，小车通过左、右两轮子的前进后退来维持自身的平衡，陀螺仪信号与电机编码器信号在PC机通过AD/DA卡处理后，输入给FPGA，FPGA在运算后，由脉冲信号来控制电机的正常调试运行。
图12 两轮自平衡机器人整体外观
第二章 系统原理分析
2.1控制系统要求分析
小车必须实现在无外力干扰的情况下通过左右轮的相互协调与运动，实现自身的衡，并完成前进、后退、左右转弯等动作。两个轮子为小车提供的受力支持是小车运动与平衡的原因所在，同时电机也可以控制车轮的运行。在实际分析的过程中，我们通常将小车看为一个整体进行控制，控制两个轮子的转速也就等同于控制输入量的大小。我们在分析系统的时候，将控制系统分为了三个部分：小车平衡控制、小车速度控制、小车转向控制。
目 录
第一章 绪论 1
1.1自平衡二轮车的背景和意义 1
1.2自平衡二轮车国内外的发展状况 1
1.2.1自平衡二轮车在国外的研究现状 1
1.2.2自平衡二轮车在国内的研究现状 2
第二章 系统原理分析 3
2.1控制系统要求分析 3
2.2平衡系统控制分析 3
2.2.1车体平衡控制 4
2.3姿态检测系统 6
2.3.1陀螺仪 6
2.3.2加速度计 6
2.3.3基于卡尔曼滤波的数据融合 7
2.4本章小结 8
第三章 系统硬件电路设计 9
3.1陀螺仪和加速度计模块的电路设计与分析 9
3.1.1陀螺仪的简要介绍 9
3.1.2加速度计的简要介绍 9
3.1.3陀螺仪与加速度计模块电路图 9
3.2单片机最小系统电路设计 10
3.2.1MCF52255CAF80最小系统电路设计 10
3.3电机驱动电路设计 10
3.3.1驱动电路设计 11
3.3.2驱动电路的设计原理图 11
3.4电源模块的设计与分析 12
第四章 系统软件设计 13
4.1软件系统总体结构 13
4.2 PID控制算法 13
4.3姿态检 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
测系统的软件设计 15
4.3.1陀螺仪与加速度计输出值转换 15
4.3.2卡尔曼滤波器的软件实现 15
4.4两轮自平衡车的运动控制 16
第五章 系统调试工具 17
5.1系统软件开发工具 17
5.2系统硬件PCB设计工具 17
5.3蓝牙无线传输模块 18
5.4上位机调试软件 19
5.5两轮自平衡小车实物图 19
5.6手机控制端的界面图 20
结束语 24
致 谢 26
参考文献 27
第一章 绪论
1.1自平衡二轮车的背景和意义
人类自三次工业革命后，社会生产力得到了飞快的发张，科技逐渐成为人类社会发展的组要推动。电动车正是在这样的背景下应运而生。由于地球化石燃料的的储备愈发的减少，以及人类环保意识的不断增强，廉价的电力能源成为了日后交通运输方面的首选。“电动车”将在日后成为人类在交通运输方面的首要选择。从目前的市场现状来看，电动车占据了较为大的比重，其种类也是多种多样：中国新型研发的电驱动高铁动车、电驱动汽车、电驱动摩托车、电驱动汽车等。两轮自平衡机器人的设计理念就是在这样的背景下产生的。这种机器人因为其系统设计简单，结构较为单一，刚一问世就收到了世界各国爱好者和研究这的关注，为世界各国的研究者提供了较高的研究价值。
这种机器人在工作时候，两个轮子的几何中心在同一轴线上，每个轮子能够分别的形成驱动，通过两个轮子的互相协调运动可以最终实现在车身平衡的前提下正常行驶。于此同时，小车能够在不同的环境地形下通过自主调节，实现正常的功能实现。因此，它能够胜任在复杂环境下正常工作，为人类减少许多的麻烦与危险。
1.2自平衡二轮车国内外的发展状况
1.2.1自平衡二轮车在国外的研究现状
两轮自评很小车这一概念最早是由日本电信大学教授山藤一雄在1987年提出的，最初的概念就是利用数字处理器来研究平衡的状态与改变。通过对数据的调试来维持小车的平衡。进入21世纪以后，机器人爱好者对两轮自平衡小车的关注以及研究愈发的增加。“赛格威”就是由之后的美国发明家狄恩?卡门与他的DEKA研发公司研发出的[15]。目前该款平衡小车已投入市场且得到了相应的使用。
目前市场上较为流行的一款平衡小车如下图11所示。研究者在研究平衡的过程中以人类的行为活动作为观察的对象[13]，通过研究并分析人类走路时候的外在表现，领悟到人类体内灵敏的平衡器官可以精确地判断出身体重心的改变量，这也是人类可以正常行走的关键。人类得以正常行走是通过前倾、往前踏脚、前倾、往前踏脚的动作循环。
图11 两轮平台电动车Segway
1.2.2自平衡二轮车在国内的研究现状
台湾国立中央大学设计的两轮自平衡机器人整体外观如图12所示，两轮自平衡机器人车体，FPGA及个人电脑是构成该机器人三个主要部分，车体是由摆杆、支架和电机三部分构成，小车通过左、右两轮子的前进后退来维持自身的平衡，陀螺仪信号与电机编码器信号在PC机通过AD/DA卡处理后，输入给FPGA，FPGA在运算后，由脉冲信号来控制电机的正常调试运行。
图12 两轮自平衡机器人整体外观
第二章 系统原理分析
2.1控制系统要求分析
小车必须实现在无外力干扰的情况下通过左右轮的相互协调与运动，实现自身的衡，并完成前进、后退、左右转弯等动作。两个轮子为小车提供的受力支持是小车运动与平衡的原因所在，同时电机也可以控制车轮的运行。在实际分析的过程中，我们通常将小车看为一个整体进行控制，控制两个轮子的转速也就等同于控制输入量的大小。我们在分析系统的时候，将控制系统分为了三个部分：小车平衡控制、小车速度控制、小车转向控制。
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