直立式左右双轮自平衡运动小车
摘 要本篇论文介绍自平衡小车的原理时，主要从下三个部分涉入：竹竿直立于手指、阐单摆模型和平衡小车。在分析小车平衡条件时，本文主要是类比倒立的单摆模型，建立平衡小车的控制传递函数。由奈奎斯特稳定判据分析系统零极点分配规律，并判断系统是否稳定。在反馈控制中车模倾角和倾角速度可以通过安装在车模上的加速度传感器和陀螺仪实现。反馈利用PID算法，按照偏差的比例、积分、微分控制系统，使系统可以自动调节，找到系统需要的被控参数并不断更新，直到小车可以再动态中达到平衡。由于受到外界和本身的电压等因素的干扰，角速度和角度的测量值与真实值有一定差别，若直接使用测量数据会影响系统的稳定性。为了使小车在运行时更加稳定，需要对测量数据进行滤波和数据融合，通过滤波可以使数据平滑，减小零漂和动态误差，最终使控制系统更稳定。本次设计中主要采用卡尔曼滤波器完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合。系统选用了Kinetis-K60系列单片机为控制核心，完成了传感器信号的处理，滤波算法的实现及车身控制。
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1课题背景和意义 1
1.2 本文的研究内容和章节安排 2
第2章 车模系统分析 4
2.1车模控制系统原理分析 4
2.1.1车模控制系统任务分解 4
2.1.2车模系统直立控制 5
2.1.3车模系统速度控制 6
2.1.4车模系统转向控制 7
2.2车模控制系统建模分析 7
2.2.1小车建模与单摆的对比 7
2.2.2 PID控制器原理与车模PID算法的设计 9
2.3 车模角度和角速度测量 10
2.3.1加速度传感器原理分析 10
2.3.2陀螺仪原理分析 11
2.4 加速度计与陀螺仪的信号融合 12
2.4.1滤波的必要性 12
2.4.2基于卡尔曼滤波的数据融合 13
第3章 系统硬件设计 16
3.1 硬件总体设计 16
3.2主控芯片电路设计 17
3.2.1 Ki
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netisK60单片机介绍 17
3.2.2 KinetisK60单片机最小系统原理图 17
3.3电源模块硬件电路设计 17
3.4传感器信号调理电路 19
3.4.1陀螺仪放大电路设计 19
3.4.2加速度计电路设计 20
3.5电机驱动电路设计 20
3.5.1驱动芯片介绍 20
3.6速度检测模块设计 22
3.6.1编码器介绍 22
3.6.2编码器电路设计 22
第4章 系统软件设计 24
4.1软件系统总体流程图 24
4.2单片机初始化软件设计 24
4.3姿态检测系统软件设计 25
4.3.1陀螺仪与加速度计输出值转换 25
4.3.2卡尔曼滤波器的软件实现 26
4.4平衡PID控制软件实现 27
4.5两轮自平衡车的运动控制 29
第5章 系统调试 31
5.1系统调试工具 31
5.2系统硬件电路调试 31
5.3姿态检测系统调试 32
5.4控制系统PID参数整定 33
5.5两轮自平衡小车动态调试 33
第6章 总结与展望 35
6.1 总结 35
6.2 展望 35
致 谢 36
参考文献 37
附录一 38
附录二 39
外文翻译 43
第1章 绪论
1.1课题背景和意义
现代人们的活动领域已经大大延伸，生活中交通工具的选择逐渐成为人们关注的焦点。无论是工作还是出游，人们在选择交通局时总是会优先考虑最方便最快捷的方式，如飞机、汽车、火车以及自行车等，其中汽车和自行车是交通工具的主流。
在当下科学技术和交通工具飞速发展的这个时代，小汽车成为我们出行的重要代步工具。相对于大部分人来说，小汽车出门便捷，速度快，舒适安逸，是现代化交通共组的首选。反观之，小汽车也有缺点，虽然越来越普遍，相比自行车而言，它占地面积大，需要停车位，有污染，有噪声，耗费油，技术复杂等，尤其在上下班的高峰期，马上路上挤满了小汽车，不仅影响了交通秩序，还容日出现交通事故。我们平时使用的自行车价格便且无污染，既能锻炼身体，又能停放自如。但使用自行车有一个前提—通过平衡练习学会骑自行车。在学自行车的过程中，我们需要花费时间与精力，还有可能摔倒受伤。除此之外，如果是长距离的出行，自行车则是不合适的工具，因为长时间的骑自行车会消耗我们大量的体力甚至体力不支。
那么，汽车和自行车各有优缺点，我们能不能制造一种集两者的优点于一身的交通工具呢？于是很多研究者致力于研究出一个两全齐美的交通工具。经过多次试验与反复改进，美国著名的发明家Dean Kamen与他的DEKA研发公司终于研发出了一款两全齐美的交通工具——两轮自平衡车，并命名为SEGWAY HT。两轮平衡车如今已被大范围应用于各个领域，如图11所示，这是唯一一辆市场化的平衡车。类比人脑控制我们身体行走的原理，卡门采用陀螺仪进行模拟神经，电机模仿两脚设计出了双轮自平衡车，发展出所谓的“动态稳定"概念。根据发展现状和未来趋势来看，两轮自平衡车的前景将不可估量。
图11 Segway两轮自平衡车
1.2 本文的研究内容和章节安排
根据已有的对两轮自平衡车相关原理的掌握和了解，本文设计的左右双轮自平衡小车在运行过程中能够实现车模静止直立、车模前进以及通过蓝牙模块实现车模转向控制。整体内容如下：
（1）类比倒立摆原理，对小车进行受力分析，建立小车的控制传递函数，利用已学的《自动控制原理》分析传递函数的零极点分布，根据分布规律求得平衡条件，继而得出正确的控制方案。
（2）对小车的运动控制进行分解为三个步骤：直立、前进和转向控制，分解步骤后，条理更清晰，任务更明确。
（3）硬件器件的选型和搭建，选用K60单片机作为核心控制器，选用ENC03角速度传感器测量车模倾斜角速度，选用MMA7361加速度计测量倾斜角度，选用BTN7960驱动电机，选择7.2V直流电机作为动力，选择LM1117模块作为ENC03、MMA7260等器件的3.3v电源，选欧姆龙500线CW3C编码器读取小车的速度信息。
（4）研究惯性传感器数据融合算法，选取合适的滤波器；
（5）设计平衡小车稳定运行的PID控制算法，并分析PID相关参数的影响。
（6）搭建硬件，编写软件控制程序，结合硬件和软件进行实际调试，并不断改进程序并达到理想效果。
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1课题背景和意义 1
1.2 本文的研究内容和章节安排 2
第2章 车模系统分析 4
2.1车模控制系统原理分析 4
2.1.1车模控制系统任务分解 4
2.1.2车模系统直立控制 5
2.1.3车模系统速度控制 6
2.1.4车模系统转向控制 7
2.2车模控制系统建模分析 7
2.2.1小车建模与单摆的对比 7
2.2.2 PID控制器原理与车模PID算法的设计 9
2.3 车模角度和角速度测量 10
2.3.1加速度传感器原理分析 10
2.3.2陀螺仪原理分析 11
2.4 加速度计与陀螺仪的信号融合 12
2.4.1滤波的必要性 12
2.4.2基于卡尔曼滤波的数据融合 13
第3章 系统硬件设计 16
3.1 硬件总体设计 16
3.2主控芯片电路设计 17
3.2.1 Ki
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netisK60单片机介绍 17
3.2.2 KinetisK60单片机最小系统原理图 17
3.3电源模块硬件电路设计 17
3.4传感器信号调理电路 19
3.4.1陀螺仪放大电路设计 19
3.4.2加速度计电路设计 20
3.5电机驱动电路设计 20
3.5.1驱动芯片介绍 20
3.6速度检测模块设计 22
3.6.1编码器介绍 22
3.6.2编码器电路设计 22
第4章 系统软件设计 24
4.1软件系统总体流程图 24
4.2单片机初始化软件设计 24
4.3姿态检测系统软件设计 25
4.3.1陀螺仪与加速度计输出值转换 25
4.3.2卡尔曼滤波器的软件实现 26
4.4平衡PID控制软件实现 27
4.5两轮自平衡车的运动控制 29
第5章 系统调试 31
5.1系统调试工具 31
5.2系统硬件电路调试 31
5.3姿态检测系统调试 32
5.4控制系统PID参数整定 33
5.5两轮自平衡小车动态调试 33
第6章 总结与展望 35
6.1 总结 35
6.2 展望 35
致 谢 36
参考文献 37
附录一 38
附录二 39
外文翻译 43
第1章 绪论
1.1课题背景和意义
现代人们的活动领域已经大大延伸，生活中交通工具的选择逐渐成为人们关注的焦点。无论是工作还是出游，人们在选择交通局时总是会优先考虑最方便最快捷的方式，如飞机、汽车、火车以及自行车等，其中汽车和自行车是交通工具的主流。
在当下科学技术和交通工具飞速发展的这个时代，小汽车成为我们出行的重要代步工具。相对于大部分人来说，小汽车出门便捷，速度快，舒适安逸，是现代化交通共组的首选。反观之，小汽车也有缺点，虽然越来越普遍，相比自行车而言，它占地面积大，需要停车位，有污染，有噪声，耗费油，技术复杂等，尤其在上下班的高峰期，马上路上挤满了小汽车，不仅影响了交通秩序，还容日出现交通事故。我们平时使用的自行车价格便且无污染，既能锻炼身体，又能停放自如。但使用自行车有一个前提—通过平衡练习学会骑自行车。在学自行车的过程中，我们需要花费时间与精力，还有可能摔倒受伤。除此之外，如果是长距离的出行，自行车则是不合适的工具，因为长时间的骑自行车会消耗我们大量的体力甚至体力不支。
那么，汽车和自行车各有优缺点，我们能不能制造一种集两者的优点于一身的交通工具呢？于是很多研究者致力于研究出一个两全齐美的交通工具。经过多次试验与反复改进，美国著名的发明家Dean Kamen与他的DEKA研发公司终于研发出了一款两全齐美的交通工具——两轮自平衡车，并命名为SEGWAY HT。两轮平衡车如今已被大范围应用于各个领域，如图11所示，这是唯一一辆市场化的平衡车。类比人脑控制我们身体行走的原理，卡门采用陀螺仪进行模拟神经，电机模仿两脚设计出了双轮自平衡车，发展出所谓的“动态稳定"概念。根据发展现状和未来趋势来看，两轮自平衡车的前景将不可估量。
图11 Segway两轮自平衡车
1.2 本文的研究内容和章节安排
根据已有的对两轮自平衡车相关原理的掌握和了解，本文设计的左右双轮自平衡小车在运行过程中能够实现车模静止直立、车模前进以及通过蓝牙模块实现车模转向控制。整体内容如下：
（1）类比倒立摆原理，对小车进行受力分析，建立小车的控制传递函数，利用已学的《自动控制原理》分析传递函数的零极点分布，根据分布规律求得平衡条件，继而得出正确的控制方案。
（2）对小车的运动控制进行分解为三个步骤：直立、前进和转向控制，分解步骤后，条理更清晰，任务更明确。
（3）硬件器件的选型和搭建，选用K60单片机作为核心控制器，选用ENC03角速度传感器测量车模倾斜角速度，选用MMA7361加速度计测量倾斜角度，选用BTN7960驱动电机，选择7.2V直流电机作为动力，选择LM1117模块作为ENC03、MMA7260等器件的3.3v电源，选欧姆龙500线CW3C编码器读取小车的速度信息。
（4）研究惯性传感器数据融合算法，选取合适的滤波器；
（5）设计平衡小车稳定运行的PID控制算法，并分析PID相关参数的影响。
（6）搭建硬件，编写软件控制程序，结合硬件和软件进行实际调试，并不断改进程序并达到理想效果。
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