基于陀螺仪与加速度计的小车自平衡控制系统设计
基于陀螺仪与加速度计的小车自平衡控制系统设计[20200419155129]
摘要
本文是采用三轴加速度计和三轴陀螺仪器件MPU6050构成小车姿态检测装置，使用滤波算法完成MPU6050的数据融合。本系统在经过几次更改之后最终使用的是一个16位的单片机，通过很好的数据处理并融合到达了可以对2公斤左右物品的支撑并且可以保持自平衡。
在整个制作过程中，较好的利用了各硬件资源，同时进行软件优化。在此基础上，对硬件中测速模块进行升级。并通过对各种滤波算法的分析，最终采用卡尔曼滤波算法。可以使用蓝牙实时对小车监控且能实现在外界的扰动中仍然可以自平衡。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:两轮自平衡车陀螺仪姿态检测滤波算法数据融合
目 录
1.引言 1
1.1引言 1
1.2课题来源 1
1.3课题背景 1
1.4课题在国内外研究情况 2
1.5研究目的及意义 3
1.6本文的结构 3
2.两轮自平衡原理分析 4
2.1控制系统分析 4
2.2平衡控制分析 4
2.3小车受力分析 4
2.4车模速度控制 7
3. 应用4轮小车机构设计两轮车控制系统 9
3.1 STC89C52RC单片机 9
3.1.1单片机电源电路 9
3.1.2晶振 9
3.1.3复位电路 10
3.2 L298N驱动芯片介绍 10
3.3红外接收介绍 10
3.3.1硬件原理与连接 10
3.3.2红外接收头工作原理 11
4.两轮小车基本功能平台 13
4.1 ARDUINO开发板介绍 13
4.2开发板性能 13
4.3MEMS传感器选型 13
4.4轮速度测量 14
4.5轮小车车体结构 15
4.6轮小车改造设计 16
5. 两轮车系统改进 17
5.1改进原因介绍 17
5.2 MC9SXS128单片机介绍 17
5.3单片机最小系统 17
5.4电机的改进 18
5.5最终版软件设计 18
5.6小车主要程序分析 19
5.6.1 MPU6050 19
5.6.2关于姿态的程序分析 20
5.6.3 PWM初始化 20
5.6.4定时中断的编写 21
5.6.5 SCI模块 21
5.6.6测速模块介绍 22
5.6.7电机控制思路 22
5.7总结 22
6. 实验及讨论 24
6.1静态调试 24
6.2动态调试 24
6.2.1角度PID 24
6.2.2速度PID 24
6.3关于算法的研究 24
6.3.1传感器原始数据 25
6.3.2三种滤波算法程序 25
6.3.3一阶互补滤波 27
6.3.4二阶互补滤波 28
6.3.5卡尔曼滤波 28
6.4小车负重实验 29
6.4.1无载PID参数 29
6.4.2载重PID参数 29
6.4.3讨论 29
7. 结论 30
参考文献 31
附 录 32
致谢 33
第一章 引言
1.1 引言
随着科技的日新月异，技术的大力发展，多门学科在一齐发展并渗透引发了一浪高过一浪的科学改革序幕。在这种情形下。机械电子行业的发展，电子技术的进步使得机械工业得到了巨大变化。
在这样的背景中，我们设计了一款小型的自平衡模型车。它是有许多交错学科组成的。它的力学特性也是比较复杂化的。因此很受各方学者喜爱并愿意花大力气去学习去研究。
1.2 课题来源
虽然有很多关于自平衡的设备在市场上有售，但是关于这种自平衡设备的产品也是最近几年发展起来的，做的好的设备厂商有Segway。这些产品的出现靠的是电子产业的快速发展，传感器精度的日益提高。在实现功能的情况下，希望被大众所使用。
出于本人的专研精神和学习需要，做了对自平衡小车的结构和电气分析，准备靠自己的力量去制作小车的模型，待以后有了成熟的时机准备真正的去设计载人小车。
1.3 课题背景
双轮自平衡小车可以做到比四轮小车更灵活的转动和更灵敏的反应，可以通过对两轮小车的研究达到一个实验各种控制算法的好处而且可以大力推广平衡小车的目的节约造车成本。
关于国内大学生智能车比赛的权威办事方是飞思卡尔大赛，这里云集了全国的高手，在这里是技术的比拼水平的较量。近年，组委会将电磁组改为直立行走，加大了比赛的水平和难度。
通过这些比赛看来，两轮自平衡小车越来越进入了大家的视线，是一个热门的研究课题。但是在市场上这种可以载人行走的设备都是上万的水平，只有极少数人可以购买，尚未被多数人接受，如何把它推广给大众是我们要去思考的。
1.4 课题在国内外研究情况
使用数字处理探测平衡位置，后来可以保持自身平衡的概念由1987年的日本大学教授提出。
随着Segway平衡车问世，全球对于平衡车的关注度显著提高。赛格威是之后被爱好者设计出来的两轮自平衡车，而且已经投入市场。它灵活适应环境等优点被用于很多大型的活动。
此款车的设计便是第一款上市平衡车，如图1-1所示，在其上市以来备受关注。卡门在观察人类行走的姿态后，得到了人类是通过小脑对平衡状态的感测通过小腿的肌肉来抵消倾倒姿势。透过这种机制可以构成一个动态平衡的动作。并尝试用加速度计和陀螺仪代替人的平衡器官，电机代替双脚。
图1-1 Segway两轮自平衡车
2006年,西安电子科技大学制作了一个双轮自平衡小车,如图1-2所示，小车的结构是由平衡机构和两个电子电机构成，通过倾角传感器和加速度传感器光电码盘测速模块组成，小车上面的滑块的移动来调节小车重心，然后可以到达平衡效果。
图1-2 西安电子科技大学的样机
1.5 研究目的及意义
最近几年内，控制算法的进步，移动机器被大多数人关注，成为很活跃的科研项目。同样这样的机器也面临越来越复杂的任务和要求。这就要求我们的机器可以做的更好。这是目前大家关注的话题。
一个由两个车轮控制，每个轮子由单个电机控制，把重心放在了车轮轴的车子在这样的背景下提出了。这种两轮平衡车可以通过电机对车轮的控制使其保持平衡并能在复杂的环境下工作。
1.6 本文的结构
本文的研究背景是双轮平衡小车，倾角传感器的检测和PID技术的应用。全文共分为六各章的主要内容如下:
第一章讲述了小车的概念背景及国内外现状;
第二章对双轮自平衡车控制进行了介绍及原理分析;
第三章开始尝试从四轮小车的运动控制出发到尝试设计两轮小车的运动控制提供方法;
第四章在四轮小车的基础上对两轮小车的进行了设计并通过一些改进实现两轮小车的初步平衡;
第五章在初步平衡的小车上继续进行了改进使小车可以更稳定更迅速的到达控制要求并对最终版的两轮小车进行软件介绍;
第六章在以最终版的两轮小车上进行各种算法研究及调试;
第七章结论。
第二章 两轮自平衡原理分析
2.1 控制系统分析
根据系统控制要求，小车可以依靠自衡的自平衡算法保持自身平衡，并可以完成4种方向控制。由于系统有两个电机提供直立姿态的矫正，从控制方向上来探讨小车的自平衡可以从以下几方面做出依据。
（1）小车的平衡方面：根据传感器测得的倾角对电机正反转控制保持平衡。
摘要
本文是采用三轴加速度计和三轴陀螺仪器件MPU6050构成小车姿态检测装置，使用滤波算法完成MPU6050的数据融合。本系统在经过几次更改之后最终使用的是一个16位的单片机，通过很好的数据处理并融合到达了可以对2公斤左右物品的支撑并且可以保持自平衡。
在整个制作过程中，较好的利用了各硬件资源，同时进行软件优化。在此基础上，对硬件中测速模块进行升级。并通过对各种滤波算法的分析，最终采用卡尔曼滤波算法。可以使用蓝牙实时对小车监控且能实现在外界的扰动中仍然可以自平衡。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:两轮自平衡车陀螺仪姿态检测滤波算法数据融合
目 录
1.引言 1
1.1引言 1
1.2课题来源 1
1.3课题背景 1
1.4课题在国内外研究情况 2
1.5研究目的及意义 3
1.6本文的结构 3
2.两轮自平衡原理分析 4
2.1控制系统分析 4
2.2平衡控制分析 4
2.3小车受力分析 4
2.4车模速度控制 7
3. 应用4轮小车机构设计两轮车控制系统 9
3.1 STC89C52RC单片机 9
3.1.1单片机电源电路 9
3.1.2晶振 9
3.1.3复位电路 10
3.2 L298N驱动芯片介绍 10
3.3红外接收介绍 10
3.3.1硬件原理与连接 10
3.3.2红外接收头工作原理 11
4.两轮小车基本功能平台 13
4.1 ARDUINO开发板介绍 13
4.2开发板性能 13
4.3MEMS传感器选型 13
4.4轮速度测量 14
4.5轮小车车体结构 15
4.6轮小车改造设计 16
5. 两轮车系统改进 17
5.1改进原因介绍 17
5.2 MC9SXS128单片机介绍 17
5.3单片机最小系统 17
5.4电机的改进 18
5.5最终版软件设计 18
5.6小车主要程序分析 19
5.6.1 MPU6050 19
5.6.2关于姿态的程序分析 20
5.6.3 PWM初始化 20
5.6.4定时中断的编写 21
5.6.5 SCI模块 21
5.6.6测速模块介绍 22
5.6.7电机控制思路 22
5.7总结 22
6. 实验及讨论 24
6.1静态调试 24
6.2动态调试 24
6.2.1角度PID 24
6.2.2速度PID 24
6.3关于算法的研究 24
6.3.1传感器原始数据 25
6.3.2三种滤波算法程序 25
6.3.3一阶互补滤波 27
6.3.4二阶互补滤波 28
6.3.5卡尔曼滤波 28
6.4小车负重实验 29
6.4.1无载PID参数 29
6.4.2载重PID参数 29
6.4.3讨论 29
7. 结论 30
参考文献 31
附 录 32
致谢 33
第一章 引言
1.1 引言
随着科技的日新月异，技术的大力发展，多门学科在一齐发展并渗透引发了一浪高过一浪的科学改革序幕。在这种情形下。机械电子行业的发展，电子技术的进步使得机械工业得到了巨大变化。
在这样的背景中，我们设计了一款小型的自平衡模型车。它是有许多交错学科组成的。它的力学特性也是比较复杂化的。因此很受各方学者喜爱并愿意花大力气去学习去研究。
1.2 课题来源
虽然有很多关于自平衡的设备在市场上有售，但是关于这种自平衡设备的产品也是最近几年发展起来的，做的好的设备厂商有Segway。这些产品的出现靠的是电子产业的快速发展，传感器精度的日益提高。在实现功能的情况下，希望被大众所使用。
出于本人的专研精神和学习需要，做了对自平衡小车的结构和电气分析，准备靠自己的力量去制作小车的模型，待以后有了成熟的时机准备真正的去设计载人小车。
1.3 课题背景
双轮自平衡小车可以做到比四轮小车更灵活的转动和更灵敏的反应，可以通过对两轮小车的研究达到一个实验各种控制算法的好处而且可以大力推广平衡小车的目的节约造车成本。
关于国内大学生智能车比赛的权威办事方是飞思卡尔大赛，这里云集了全国的高手，在这里是技术的比拼水平的较量。近年，组委会将电磁组改为直立行走，加大了比赛的水平和难度。
通过这些比赛看来，两轮自平衡小车越来越进入了大家的视线，是一个热门的研究课题。但是在市场上这种可以载人行走的设备都是上万的水平，只有极少数人可以购买，尚未被多数人接受，如何把它推广给大众是我们要去思考的。
1.4 课题在国内外研究情况
使用数字处理探测平衡位置，后来可以保持自身平衡的概念由1987年的日本大学教授提出。
随着Segway平衡车问世，全球对于平衡车的关注度显著提高。赛格威是之后被爱好者设计出来的两轮自平衡车，而且已经投入市场。它灵活适应环境等优点被用于很多大型的活动。
此款车的设计便是第一款上市平衡车，如图1-1所示，在其上市以来备受关注。卡门在观察人类行走的姿态后，得到了人类是通过小脑对平衡状态的感测通过小腿的肌肉来抵消倾倒姿势。透过这种机制可以构成一个动态平衡的动作。并尝试用加速度计和陀螺仪代替人的平衡器官，电机代替双脚。
图1-1 Segway两轮自平衡车
2006年,西安电子科技大学制作了一个双轮自平衡小车,如图1-2所示，小车的结构是由平衡机构和两个电子电机构成，通过倾角传感器和加速度传感器光电码盘测速模块组成，小车上面的滑块的移动来调节小车重心，然后可以到达平衡效果。
图1-2 西安电子科技大学的样机
1.5 研究目的及意义
最近几年内，控制算法的进步，移动机器被大多数人关注，成为很活跃的科研项目。同样这样的机器也面临越来越复杂的任务和要求。这就要求我们的机器可以做的更好。这是目前大家关注的话题。
一个由两个车轮控制，每个轮子由单个电机控制，把重心放在了车轮轴的车子在这样的背景下提出了。这种两轮平衡车可以通过电机对车轮的控制使其保持平衡并能在复杂的环境下工作。
1.6 本文的结构
本文的研究背景是双轮平衡小车，倾角传感器的检测和PID技术的应用。全文共分为六各章的主要内容如下:
第一章讲述了小车的概念背景及国内外现状;
第二章对双轮自平衡车控制进行了介绍及原理分析;
第三章开始尝试从四轮小车的运动控制出发到尝试设计两轮小车的运动控制提供方法;
第四章在四轮小车的基础上对两轮小车的进行了设计并通过一些改进实现两轮小车的初步平衡;
第五章在初步平衡的小车上继续进行了改进使小车可以更稳定更迅速的到达控制要求并对最终版的两轮小车进行软件介绍;
第六章在以最终版的两轮小车上进行各种算法研究及调试;
第七章结论。
第二章 两轮自平衡原理分析
2.1 控制系统分析
根据系统控制要求，小车可以依靠自衡的自平衡算法保持自身平衡，并可以完成4种方向控制。由于系统有两个电机提供直立姿态的矫正，从控制方向上来探讨小车的自平衡可以从以下几方面做出依据。
（1）小车的平衡方面：根据传感器测得的倾角对电机正反转控制保持平衡。
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