独轮电摩平衡驱动设计
自平衡车的研究和应用生产在近年来得到了快速发展。在本文中提出了一种关于独轮电动摩托平衡系统的设计方案，采用了串口6轴加速度计/陀螺仪MPU6050模块，卡尔曼滤波，角度输出倾角仪作为独轮电摩的姿态检测装置，并用卡尔曼滤波使陀螺仪的数据和加速度计数据相融合。选择了ATmega328p单片机作为独轮电摩的控制核心，用其完成传感器的信号处理和车身的平衡控制。系统完成制作后，每个模块能够协调并正常工作。车体在无人干扰的情况下能够实现自我平衡。且在引入一定干扰时能够迅速自主回复稳定状态。并且可以实现前进，后退等基本动作。关键词 独轮自平衡，陀螺仪，卡尔曼滤波 ，单片机目录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 独轮电摩研究的目的和意义 2
1.3 国内外的发展状况 3
1.4 本文研究的主要内容 4
2 平衡系统原理分析 4
2.1 控制系统要求分析 4
2.2 平衡原理分析 4
2.3 平衡运动方程 5
2.4 姿态检测系统设计 9
2.5 小结 10
3 硬件电路选择和设计 10
3.1 stm32单片机介绍与开发板调试 10
3.2 mpu-6050介绍和姿态检测 13
3.3 驱动电路L298N介绍和控制分析 14
3.4 本章小结 16
4 软件设计 16
4.1 总体结构设计 16
4.2 姿态检测系统软件设计 16
4.3平衡PID控制软件实现 17
4.4 本章小结 18
5 系统调试 18
5.1 系统调试工具 18
5.2 系统硬件调试 19
5.3 姿态检测系统调试 19
5.4 本章小结 19
结论 21
致谢 22
参考文献 23
附录A 系统电路原理图 24
附录B 系统核心源代码 2 1 绪论
1.1 研究背景
近年来，随着现代经济的迅速发展以及人民的生活水平日益提高，再加 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
.2 系统硬件调试 19
5.3 姿态检测系统调试 19
5.4 本章小结 19
结论 21
致谢 22
参考文献 23
附录A 系统电路原理图 24
附录B 系统核心源代码 2 1 绪论
1.1 研究背景
近年来，随着现代经济的迅速发展以及人民的生活水平日益提高，再加上生态环境的日益恶劣，迫使人们寻求新的能源以及能源结构的变化。新能源交通工具的发展与普及是未来的一个重要趋势。独轮电摩作为一种不稳定平衡型新型交通工具靠电力驱动，无污染占地空间小的特点在现代都市生活中具有无可比拟的优越性。在这样的环境背景下，独轮电摩的观点得到了很多人的支持。
不稳定型平衡交通工具的观点不仅得到了广泛的关注，它一种新型的代步交通工具的形态吸引着广大的普通民众，在交通拥挤，能源缺乏的现状下，这种新型的不仅能够满足人们基本出行要求，更能够消除部分出行隐患的代步工具吸引着人们的目光。此外，因为这种自平衡交通工具独特的外观和精巧的结构，更吸引了全球各地的机器人爱好者的关注。这种自平衡交通工具的本质的不稳定和非线性使它成为了一个验证控制理论和方法的平台，这对于他们来说具有很高的研究价值[1]。
作为一种新型的短途代步工具来说，独轮电摩和其他代步工具最大的不同点在于它是一种动态平衡的非静态稳定的代步工具，我们称它为动态平衡。
卡门研究过行走时能够保持平稳站立特性，他认为人之所以在走路的时候能够使自身保持平稳而不倾倒是因为人在行走的时候，小脑能够很准确的判断身体的中心改变的趋势，从而从大脑发出信号使腿部肌肉发力调整整个身体的重心，以此来保证身体的平衡。 例如人在快摔倒的时候一只脚会不自主的向倾倒的方向迈出来来平衡身体。所以通过这一系列的倾倒，感知，调整的动作才构成了步行这一动作。
在20世纪末，日本电信大学的山藤一雄就提出了两轮自平衡机器人的概念。在一开始，自平衡是利用数字处理器来检测平衡的变化，然后用平行双轮来保持机器的平稳性。在1986年，斯坦福大学研制出了第一辆独轮车。在近20年来，美国和日本等国家的研究机构逐步开展了相关工作，并在系统的设计与实现方面取得了一定的研究成果。
较早的独轮机器人的研究是卡内基梅隆大学和中国香港中文大学在1997年研究的“陀螺稳定”式独轮机器人[2]。整个独轮机器人的外部罩着一个大轮子，在它的内部分别安装了带动飞轮旋转的旋转电机，使机体倾斜的倾斜电机和是机器人前后加速的驱动电机。
当今市场上已经充斥着各种各样的自平衡交通工具，如独轮车，双轮自平衡，扭扭车等等，其最基本的控制原理都相同。
1.2 研究独轮电摩的目的和意义
随着时代的发展，科学技术也在时代的步步紧逼中飞速迅猛的不断提高，大众对于影响其生活品质的智能机器人的要求也不断提高。未来机器人必须在生活，交通，救援，勘察等方面满足人们的需求。比方说在交通越来越拥堵的今天，人们理想中的载人智能机器人就需要满足很多条件才能达到新时代人们的要求。例如它必须要非常安全，在事故频发的今天，安全性是人们首要考虑得因素，在保证安全性的基础上，它需要足够的小巧和灵活，长续航以及能源清洁等来获得社会的认可。这对于现有的大多数静态稳定机器人来说是很难完成的，所以在某些程度上来说，动态的自平衡机器人的研究和发展是各个领域的必然趋势。
相对于稳定的平衡机器人而言，独轮机器人在各个方面拥有着无法比拟的优势，利用其动态稳定的特点，可以将它运用到一些复杂恶劣的环境中去，例如救援，勘察，运送物资等。其中最能够发挥其自身价值就在于当它作为交通工具时。及本课题所研究的独轮电摩，其具备其他交通工具所没有的巨大优势：
（1）它采用了电能作为其全部能源，相对于其他以石油为燃料的交通工具而言，不仅节约了使用成本，还有利于改善大气质量，保护环境。从个人来说，它的使用成本也大大降低。
（2）独轮电摩造型别致，结构精巧，深受现代年轻人的喜爱，价格适中，很容易在人群中普及开来。
（3）独轮电摩上手容易，一般人学习三至四天即可学会，操作简单，行驶过程中只需要身体来控制其前进后退和转弯。
（4）独轮电摩不仅仅从能源方面节省了资源，还从材料方面节省了许多资源。独轮电摩的核心只有一个电机，一个轮胎，一块锂电池还有控制系统，单单从车体上来说就要比普通两轮电动车节省了很多资源。在资源匮乏的今天，独轮电摩的发展和普及必将是一个趋势。
（5）就安全方面而言，现代独轮车平衡驱动技术已经成熟，并广泛应用于各个领域，只要能够熟练驾驶独轮电摩并遵守交通规则，发生事故的几率很低。所以许多城市禁止自平衡车上路是一种因噎废食的做法。
总而言之，自平衡交通工具在未来的交通领域占有着一席之地，它在交通发展变革以及
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 独轮电摩研究的目的和意义 2
1.3 国内外的发展状况 3
1.4 本文研究的主要内容 4
2 平衡系统原理分析 4
2.1 控制系统要求分析 4
2.2 平衡原理分析 4
2.3 平衡运动方程 5
2.4 姿态检测系统设计 9
2.5 小结 10
3 硬件电路选择和设计 10
3.1 stm32单片机介绍与开发板调试 10
3.2 mpu-6050介绍和姿态检测 13
3.3 驱动电路L298N介绍和控制分析 14
3.4 本章小结 16
4 软件设计 16
4.1 总体结构设计 16
4.2 姿态检测系统软件设计 16
4.3平衡PID控制软件实现 17
4.4 本章小结 18
5 系统调试 18
5.1 系统调试工具 18
5.2 系统硬件调试 19
5.3 姿态检测系统调试 19
5.4 本章小结 19
结论 21
致谢 22
参考文献 23
附录A 系统电路原理图 24
附录B 系统核心源代码 2 1 绪论
1.1 研究背景
近年来，随着现代经济的迅速发展以及人民的生活水平日益提高，再加 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
.2 系统硬件调试 19
5.3 姿态检测系统调试 19
5.4 本章小结 19
结论 21
致谢 22
参考文献 23
附录A 系统电路原理图 24
附录B 系统核心源代码 2 1 绪论
1.1 研究背景
近年来，随着现代经济的迅速发展以及人民的生活水平日益提高，再加上生态环境的日益恶劣，迫使人们寻求新的能源以及能源结构的变化。新能源交通工具的发展与普及是未来的一个重要趋势。独轮电摩作为一种不稳定平衡型新型交通工具靠电力驱动，无污染占地空间小的特点在现代都市生活中具有无可比拟的优越性。在这样的环境背景下，独轮电摩的观点得到了很多人的支持。
不稳定型平衡交通工具的观点不仅得到了广泛的关注，它一种新型的代步交通工具的形态吸引着广大的普通民众，在交通拥挤，能源缺乏的现状下，这种新型的不仅能够满足人们基本出行要求，更能够消除部分出行隐患的代步工具吸引着人们的目光。此外，因为这种自平衡交通工具独特的外观和精巧的结构，更吸引了全球各地的机器人爱好者的关注。这种自平衡交通工具的本质的不稳定和非线性使它成为了一个验证控制理论和方法的平台，这对于他们来说具有很高的研究价值[1]。
作为一种新型的短途代步工具来说，独轮电摩和其他代步工具最大的不同点在于它是一种动态平衡的非静态稳定的代步工具，我们称它为动态平衡。
卡门研究过行走时能够保持平稳站立特性，他认为人之所以在走路的时候能够使自身保持平稳而不倾倒是因为人在行走的时候，小脑能够很准确的判断身体的中心改变的趋势，从而从大脑发出信号使腿部肌肉发力调整整个身体的重心，以此来保证身体的平衡。 例如人在快摔倒的时候一只脚会不自主的向倾倒的方向迈出来来平衡身体。所以通过这一系列的倾倒，感知，调整的动作才构成了步行这一动作。
在20世纪末，日本电信大学的山藤一雄就提出了两轮自平衡机器人的概念。在一开始，自平衡是利用数字处理器来检测平衡的变化，然后用平行双轮来保持机器的平稳性。在1986年，斯坦福大学研制出了第一辆独轮车。在近20年来，美国和日本等国家的研究机构逐步开展了相关工作，并在系统的设计与实现方面取得了一定的研究成果。
较早的独轮机器人的研究是卡内基梅隆大学和中国香港中文大学在1997年研究的“陀螺稳定”式独轮机器人[2]。整个独轮机器人的外部罩着一个大轮子，在它的内部分别安装了带动飞轮旋转的旋转电机，使机体倾斜的倾斜电机和是机器人前后加速的驱动电机。
当今市场上已经充斥着各种各样的自平衡交通工具，如独轮车，双轮自平衡，扭扭车等等，其最基本的控制原理都相同。
1.2 研究独轮电摩的目的和意义
随着时代的发展，科学技术也在时代的步步紧逼中飞速迅猛的不断提高，大众对于影响其生活品质的智能机器人的要求也不断提高。未来机器人必须在生活，交通，救援，勘察等方面满足人们的需求。比方说在交通越来越拥堵的今天，人们理想中的载人智能机器人就需要满足很多条件才能达到新时代人们的要求。例如它必须要非常安全，在事故频发的今天，安全性是人们首要考虑得因素，在保证安全性的基础上，它需要足够的小巧和灵活，长续航以及能源清洁等来获得社会的认可。这对于现有的大多数静态稳定机器人来说是很难完成的，所以在某些程度上来说，动态的自平衡机器人的研究和发展是各个领域的必然趋势。
相对于稳定的平衡机器人而言，独轮机器人在各个方面拥有着无法比拟的优势，利用其动态稳定的特点，可以将它运用到一些复杂恶劣的环境中去，例如救援，勘察，运送物资等。其中最能够发挥其自身价值就在于当它作为交通工具时。及本课题所研究的独轮电摩，其具备其他交通工具所没有的巨大优势：
（1）它采用了电能作为其全部能源，相对于其他以石油为燃料的交通工具而言，不仅节约了使用成本，还有利于改善大气质量，保护环境。从个人来说，它的使用成本也大大降低。
（2）独轮电摩造型别致，结构精巧，深受现代年轻人的喜爱，价格适中，很容易在人群中普及开来。
（3）独轮电摩上手容易，一般人学习三至四天即可学会，操作简单，行驶过程中只需要身体来控制其前进后退和转弯。
（4）独轮电摩不仅仅从能源方面节省了资源，还从材料方面节省了许多资源。独轮电摩的核心只有一个电机，一个轮胎，一块锂电池还有控制系统，单单从车体上来说就要比普通两轮电动车节省了很多资源。在资源匮乏的今天，独轮电摩的发展和普及必将是一个趋势。
（5）就安全方面而言，现代独轮车平衡驱动技术已经成熟，并广泛应用于各个领域，只要能够熟练驾驶独轮电摩并遵守交通规则，发生事故的几率很低。所以许多城市禁止自平衡车上路是一种因噎废食的做法。
总而言之，自平衡交通工具在未来的交通领域占有着一席之地，它在交通发展变革以及
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