基于stm32的平衡智能车设计(附件)【字数：12421】
摘 要集成电路技术的发展给智能车的集成与优化带来了翻天覆地的变化，两轮平衡智能车是集单片机、传感器技术、通信原理、图像采集、信号检测等于一体的多学科融合技术，也是当前研究方向最为普遍的领域之一，特别是图像采集与处理方向，为无人驾驶提供了有力的实践基础。本文通过对图像信息处理和姿态解算等方向的研究，提出了基于STM32的平衡智能车，该智能平衡车采用摄像头获取赛道信息，通过分析图像信息来控制平衡车的方向和速度，通过MPU6050姿态传感器检测出的角度来控制智能车的平衡。本文主要通过利用自动控制原理与技术、电子设计技术、软件技术等专业知识，对两轮平衡智能车从底层硬件到整个系统进行仔细研究和分析，最后设计出一套完整的智能车方案。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景与意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3 研究目标和主要内容 2
第二章 平衡车整体方案设计 4
2.1 平衡智能车整体结构 4
2.2 研究路线 4
第三章 平衡车硬件系统设计 6
3.1 电源电路 6
3.2 STM32核心板电路 7
3.2.1 MCU电源管理电路 7
3.2.2 时钟电路模块 8
3.2.3 复位电路 8
3.2.4 JTAG下载电路 9
3.2.5 IO接口电路 10
3.3 音乐播放模块电路设计 10
3.4 摄像头采集电路 11
3.5 陀螺仪加速度计原理及电路 13
3.6 电机驱动电路 13
3.7 超声波原理及电路 14
3.8 PCB板设计 15
第四章 平衡车软件系统设计 17
4.1 电机驱动程序设计 17
4.2 PID控制算法设计 18
4.3 卡尔曼滤波算法原理及设计 18
4.4 摄像头驱动程序设计 20
第五章 电路的调试与实验验证 22
5.1电路的调装 22
5.2姿态感知系统的调试 23
5.3 PID控制系统调试 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
24
5.4小结 27
结束语 28
致 谢 29
参考文献 30
附录A 主板原理图 31
附录B STM32最小系统原理图 32
附录C 主板PCB版图 33
附录D STM32最小系统PCB版图 34
第一章 绪论
1.1研究背景与意义
平衡智能车的研究与应用给现代工业带来了飞速的发展，结合高速通信技术的应用，产生了很多新兴产业，包括无人驾驶，智慧小区，无人仓库，无人侦测车辆，油烟管道清理车和工作在危险作业中的车辆等一系列和智能车有关的行业。这也得益于国内集成电路与半导体的快速发展，将自动化程度提高了很多，这些行业产品综合了很全面的科技力量，将单片机、传感器、物理机械、通信、图像处理等多个学科的知识发挥到极致。智能车又叫做轮式机器人，它除了结合以往典型的机器人技术之外，还将速度与图像处理相结合，做到了快、准、稳等特性。相比之下，智能平衡车比现如今的两轮交通工具要安全得多，就如现在发展迅速的共享单车，虽然这种出行方式很环保也很方便，但你在使用之前，你得去学会它，因为并不是每一个人生下来就会掌握平衡，就会骑车，对于那种平衡能力差的人可能还是个比较严重的问题，因此平衡智能车就是基于该理念而提出的。平衡车具有很多优点，它不仅可以保持自身平衡，也能根据车上货物或者人体的重心的变化来驱动两轮保持直立状态，也就是说车身结合了很多智能传感器，用微处理器代替人的大脑，对各传感器采集回来的信息进行分析与预判，将驱动指令传送到电机，用电机来控制平衡与速度。鉴于以上优势，平衡车的运用场景非常广泛，将高速通信与之结合，能够降低危险系数，使得平衡智能车的发展更加受到欢迎，也会给其他智能领域带来便捷，因此平衡智能车的研究就显得颇有意义。
1.2国内外研究现状
早在上个世纪，赛格威电动平衡车的诞生给今天智能平衡车的发展带来了很大的思想启蒙，最早起源于迪恩卡门（Dean Kaman）的DEKA与美国大型医疗生产商合作开发的一种平衡动力轮椅iBOT[9]，卡门想到利用精密陀螺仪来获取智能车的平衡信息，并将信息反馈到电机驱动从而使得智能车能够平衡行走。在1999年卡门创立的Segway LLC[1]，在本年中，公司利用了动态平稳技术开发出了一款平衡车，命名为“姜”。2002年，瑞士联邦工业大学首次研制出一种基于倒立摆模型的智能平衡车JOE[7]，该智能车可以通过远程遥控来调整车度。2003年，美国南卫理工会大学设计出了一款利用HC11微处理器来实现平衡运动的两轮平衡机器人nBot[7]。
科技的创新从来不是一蹴而就的，在智能平衡车受到了国外科技的冲激之后，国内也掀起了智能车研制的热潮，2003年，中国科学技术大学的张培仁等人首次研制出两轮自平衡代步车Free Mover[12]，其速度可高达10km/h。该智能车同样采用的倒立摆模型，传感器使用的是加速度计、水平仪。2005年，哈尔滨工程大学也设计出了一款平衡车，名为Sway同样采用多种传感器获取信息并利用强有力的算法支撑，使得平衡车的发展更快一步。2006年，台湾青云科技大学研制出了一款两轮平衡车，该车的姿态数据通过陀螺仪，编码器和倾角计获得，他有两个微处理器与上位机进行数据交换和实现底层控制算法。图11为国内外一些平衡车的发展现状。
表11 国内外平衡车发展现状
1.3 研究目标和主要内容
本课题将研究并设计出一种基于STM32的智能平衡车[6]。该设计由机械设计、硬件设计和软件设计三个部分组成。首先需要搭建平衡车的机械部分，其主要包括智能车的电机、支架、底盘等，并且需要完整地设计硬件电路部分，包括STM32微处理控制器、MPU6050、音乐播放模块、电机驱动模块、摄像头模块等[11]，再次需要研究软件系统的设计来控制小车的直立和循迹功能，主要包括卡尔曼滤波算法和比例积分微分（ProportionIntegralDifferential，PID）控制算法[2,3,9]，最后完成智能车系统地测试。具体章节安排如下：
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景与意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3 研究目标和主要内容 2
第二章 平衡车整体方案设计 4
2.1 平衡智能车整体结构 4
2.2 研究路线 4
第三章 平衡车硬件系统设计 6
3.1 电源电路 6
3.2 STM32核心板电路 7
3.2.1 MCU电源管理电路 7
3.2.2 时钟电路模块 8
3.2.3 复位电路 8
3.2.4 JTAG下载电路 9
3.2.5 IO接口电路 10
3.3 音乐播放模块电路设计 10
3.4 摄像头采集电路 11
3.5 陀螺仪加速度计原理及电路 13
3.6 电机驱动电路 13
3.7 超声波原理及电路 14
3.8 PCB板设计 15
第四章 平衡车软件系统设计 17
4.1 电机驱动程序设计 17
4.2 PID控制算法设计 18
4.3 卡尔曼滤波算法原理及设计 18
4.4 摄像头驱动程序设计 20
第五章 电路的调试与实验验证 22
5.1电路的调装 22
5.2姿态感知系统的调试 23
5.3 PID控制系统调试 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
24
5.4小结 27
结束语 28
致 谢 29
参考文献 30
附录A 主板原理图 31
附录B STM32最小系统原理图 32
附录C 主板PCB版图 33
附录D STM32最小系统PCB版图 34
第一章 绪论
1.1研究背景与意义
平衡智能车的研究与应用给现代工业带来了飞速的发展，结合高速通信技术的应用，产生了很多新兴产业，包括无人驾驶，智慧小区，无人仓库，无人侦测车辆，油烟管道清理车和工作在危险作业中的车辆等一系列和智能车有关的行业。这也得益于国内集成电路与半导体的快速发展，将自动化程度提高了很多，这些行业产品综合了很全面的科技力量，将单片机、传感器、物理机械、通信、图像处理等多个学科的知识发挥到极致。智能车又叫做轮式机器人，它除了结合以往典型的机器人技术之外，还将速度与图像处理相结合，做到了快、准、稳等特性。相比之下，智能平衡车比现如今的两轮交通工具要安全得多，就如现在发展迅速的共享单车，虽然这种出行方式很环保也很方便，但你在使用之前，你得去学会它，因为并不是每一个人生下来就会掌握平衡，就会骑车，对于那种平衡能力差的人可能还是个比较严重的问题，因此平衡智能车就是基于该理念而提出的。平衡车具有很多优点，它不仅可以保持自身平衡，也能根据车上货物或者人体的重心的变化来驱动两轮保持直立状态，也就是说车身结合了很多智能传感器，用微处理器代替人的大脑，对各传感器采集回来的信息进行分析与预判，将驱动指令传送到电机，用电机来控制平衡与速度。鉴于以上优势，平衡车的运用场景非常广泛，将高速通信与之结合，能够降低危险系数，使得平衡智能车的发展更加受到欢迎，也会给其他智能领域带来便捷，因此平衡智能车的研究就显得颇有意义。
1.2国内外研究现状
早在上个世纪，赛格威电动平衡车的诞生给今天智能平衡车的发展带来了很大的思想启蒙，最早起源于迪恩卡门（Dean Kaman）的DEKA与美国大型医疗生产商合作开发的一种平衡动力轮椅iBOT[9]，卡门想到利用精密陀螺仪来获取智能车的平衡信息，并将信息反馈到电机驱动从而使得智能车能够平衡行走。在1999年卡门创立的Segway LLC[1]，在本年中，公司利用了动态平稳技术开发出了一款平衡车，命名为“姜”。2002年，瑞士联邦工业大学首次研制出一种基于倒立摆模型的智能平衡车JOE[7]，该智能车可以通过远程遥控来调整车度。2003年，美国南卫理工会大学设计出了一款利用HC11微处理器来实现平衡运动的两轮平衡机器人nBot[7]。
科技的创新从来不是一蹴而就的，在智能平衡车受到了国外科技的冲激之后，国内也掀起了智能车研制的热潮，2003年，中国科学技术大学的张培仁等人首次研制出两轮自平衡代步车Free Mover[12]，其速度可高达10km/h。该智能车同样采用的倒立摆模型，传感器使用的是加速度计、水平仪。2005年，哈尔滨工程大学也设计出了一款平衡车，名为Sway同样采用多种传感器获取信息并利用强有力的算法支撑，使得平衡车的发展更快一步。2006年，台湾青云科技大学研制出了一款两轮平衡车，该车的姿态数据通过陀螺仪，编码器和倾角计获得，他有两个微处理器与上位机进行数据交换和实现底层控制算法。图11为国内外一些平衡车的发展现状。
表11 国内外平衡车发展现状
1.3 研究目标和主要内容
本课题将研究并设计出一种基于STM32的智能平衡车[6]。该设计由机械设计、硬件设计和软件设计三个部分组成。首先需要搭建平衡车的机械部分，其主要包括智能车的电机、支架、底盘等，并且需要完整地设计硬件电路部分，包括STM32微处理控制器、MPU6050、音乐播放模块、电机驱动模块、摄像头模块等[11]，再次需要研究软件系统的设计来控制小车的直立和循迹功能，主要包括卡尔曼滤波算法和比例积分微分（ProportionIntegralDifferential，PID）控制算法[2,3,9]，最后完成智能车系统地测试。具体章节安排如下：
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