兩輪自平衡小車畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　兩輪自平衡小車的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　最近這幾年來，自平衡電動(dòng)車的研發(fā)與商用獲得了快速發(fā)展。自平衡車具有 體積小，運(yùn)動(dòng)十分靈活，便利，節(jié)能等特點(diǎn)。本文提出了一種雙輪自平衡小車的設(shè)計(jì)方案，機(jī)械結(jié)構(gòu)采用了雙輪雙馬達(dá)驅(qū)動(dòng)；控制主要采用的是反饋調(diào)節(jié)，為了使車體更好的平衡，使用了PID調(diào)節(jié)方式；硬件上采用陀螺儀

2、GY521 MPU-6050來采集車體的旋轉(zhuǎn)角度以及旋轉(zhuǎn)角加速度，同時(shí)采用了加速度傳感器來間接測(cè)量車體旋轉(zhuǎn)角度。采用意法半導(dǎo)體ST公司的低功耗控制器芯片stm32作為主控，采集上述傳感器信息進(jìn)行濾波，分析等操作后進(jìn)而控制馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)，從而達(dá)到反饋調(diào)節(jié)的閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)平衡。系統(tǒng)設(shè)計(jì)，調(diào)試完成后，能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)功能部件之間協(xié)調(diào)工作，在適度的干擾情形下仍然能夠保持平衡。同時(shí)，也可以使用手機(jī)上的APP通過藍(lán)牙與小車通信控制小車的前進(jìn)和后退以及

3、轉(zhuǎn)彎。</p><p>　　關(guān)鍵詞：自平衡小車 陀螺儀傳感器 濾波 APP </p><p>　　Design of Two-Wheel Self-Balance Vehicle</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In the last few years, with

4、 the development of commercial self balancing electric vehicle was developed rapidly. Self balancing vehicle has the advantages of small volume, the movement is very flexible, convenient, energy saving etc.. This paper p

5、resents a two wheeled self balancing robot design, mechanical structure adopts double motor drive; controlled mainly by the feedback regulation, in order to make the balance of the body better, with the PID regulation; h

6、ardware using gyroscope GY521 mpu</p><p>　　Key Words: Self balancing car gyroscope sensor filter APP</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1.緒論1</b><

7、/p><p>　　1.1研究背景與意義1</p><p>　　1.2自平衡小車的設(shè)計(jì)要點(diǎn)1</p><p>　　1.2.1整體構(gòu)思1</p><p>　　1.2.2姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)1</p><p>　　1.2.3控制算法2</p><p>　　1.3本文主要研究目標(biāo)與內(nèi)容2</p&g

8、t;<p>　　1.4論文章節(jié)安排錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　2. 系統(tǒng)原理分析4</p><p>　　2.1控制系統(tǒng)要求分析4</p><p>　　2.2平衡控制原理分析4</p><p>　　2.3自平衡小車數(shù)學(xué)模型5</p><p>　　2.3.1兩輪自平衡小車受力分析5&l

9、t;/p><p>　　2.4 PID控制器設(shè)計(jì)7</p><p>　　2.4.1 PID控制器原理7</p><p>　　2.4.2 PID控制器設(shè)計(jì)8</p><p>　　3.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)8</p><p>　　3.1硬件電路整體框架：8</p><p>　　3.2系統(tǒng)運(yùn)作流程介紹：

10、9</p><p>　　3.3下面分各個(gè)部分進(jìn)行介紹：9</p><p>　　3.3.1電源供電部分：9</p><p>　　3.3.2主控制器部分：9</p><p>　　3.3.3陀螺儀傳感器部分：11</p><p>　　3.3.4馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路:12</p><p>　　3.3

11、.5測(cè)速部分：13</p><p>　　3.3.7藍(lán)牙通信部分：ZK-0714</p><p>　　3.4本章小結(jié)15</p><p>　　4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)15</p><p>　　4.1軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)15</p><p>　　4.2系統(tǒng)初始化過程16</p><p>　　4.2.

12、1模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（AD）初始化設(shè)置16</p><p>　　4.2.2通用串行通信USART初始化16</p><p>　　4.2.3光柵法測(cè)速模塊初始化16</p><p>　　4.3平衡PID控制軟件實(shí)現(xiàn)17</p><p>　　4.4兩輪自平衡車的運(yùn)動(dòng)控制18</p><p>　　5. 總結(jié)與展望19&

13、lt;/p><p><b>　　5.1 總結(jié)19</b></p><p><b>　　5.2 展望19</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)20</b></p><p><b>　　附 錄21</b></p><p>

14、<b>　　1.緒論</b></p><p>　　1.1研究背景與意義</p><p>　　隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，最近這些年來，移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新日新月異，人們的生活也越來越離不開各式各樣的機(jī)器人。小到家里使用的掃地機(jī)器人，全自動(dòng)洗衣機(jī)，生產(chǎn)線上的自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)，以及現(xiàn)在炙手可熱的無人駕駛汽車。這些都得益于移動(dòng)機(jī)器人機(jī)器人的使用領(lǐng)域愈來愈多，以及機(jī)器人行業(yè)的基礎(chǔ)技

15、術(shù)也越來越成熟。</p><p>　　本文提出的自平衡車就是眾多機(jī)器人中的一種。由于只有兩個(gè)輪子，所以體積相對(duì)其他移動(dòng)機(jī)器人可以做的很小，能夠適應(yīng)比較狹窄的空間。同時(shí)，由于采用雙輪驅(qū)動(dòng)，移動(dòng)起來也十分靈活，甚至可以做到原地旋轉(zhuǎn)。由于其輕便，運(yùn)動(dòng)靈活，適應(yīng)面廣，節(jié)約能源，環(huán)保等種種優(yōu)點(diǎn)使得它的發(fā)展和應(yīng)用前景非常地廣闊。</p><p>　　同時(shí)在理論研究方面，平衡車，作為一個(gè)控制系統(tǒng)，由于重

16、力的存在，自平衡小車原本是不能自主保持站立的，需要依靠對(duì)輪的合適的控制來實(shí)現(xiàn)車身的平衡。通過馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)來控制車輪的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，陀螺儀 加速度計(jì)等MEMS 傳感器，算法，微控制器以及車體的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置聯(lián)動(dòng)的協(xié)調(diào)來控制小車的平衡，是一個(gè)集合了傳感器測(cè)量，干擾去除，數(shù)據(jù)分析，實(shí)時(shí)處理，行為操作與執(zhí)行的多個(gè)環(huán)節(jié)的綜合控制系統(tǒng)。</p><p>　　系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求較高，傳感器的數(shù)據(jù)要進(jìn)行濾波和分析后才能作為控制信息。因此

17、對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)要有比較深刻的認(rèn)識(shí)，具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)探究?jī)r(jià)值。</p><p>　　1.2自平衡小車的設(shè)計(jì)要點(diǎn)</p><p><b>　　1.2.1整體構(gòu)思</b></p><p>　　平衡車整體設(shè)計(jì)包括的內(nèi)容有：車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件電路設(shè)計(jì)，軟件算法設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。在小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，應(yīng)該盡可能的保證車體重心在車體的中央，同時(shí)重心盡可能的低，這樣能

18、夠增加車體本身的本征穩(wěn)定性，減輕后面系統(tǒng)算法和調(diào)試的難度。</p><p>　　在小車的硬件設(shè)計(jì)上，電源必須要能夠穩(wěn)定的輸出，并且滿足馬達(dá)驅(qū)動(dòng)對(duì)功率的需求。同時(shí)，為了后期方便調(diào)試，應(yīng)該留出一些比如電位器以及程序燒錄的調(diào)試接口，可大大簡(jiǎn)化后期調(diào)試過程和節(jié)約大量調(diào)試時(shí)間。為了后期方便更換器件，將主板設(shè)計(jì)成了接插口的方式。</p><p>　　在小車的軟件設(shè)計(jì)上，主要的難度在于對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的濾波

19、和融合分析以及PID調(diào)試上。</p><p>　　1.2.2姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)</p><p>　　雙輪自平衡小車通過陀螺儀GY521 MPU-6050，加速度傳感器，stm32控制器，以及雙輪馬達(dá)驅(qū)動(dòng)構(gòu)成了閉環(huán)控制，而當(dāng)前姿態(tài)檢測(cè)環(huán)節(jié)則是反饋源，如同人的眼睛，耳朵等器官，是環(huán)境感知的入口。通過陀螺儀GY521 MPU-6050可以直接檢測(cè)到當(dāng)前車身的角速度以及角加速度；同時(shí)由于重力會(huì)在小車車身

20、傾斜的角度上產(chǎn)生一個(gè)分量，由此借助于加速度傳感器測(cè)出該分量，從而也就能夠間接的得出自平衡小車的車身傾斜角度。</p><p>　　在陀螺儀傳感器和加速度傳感器的選用上面，由于是用于動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)，所以對(duì)它的實(shí)時(shí)性的要求比較高。另外，靈敏度和準(zhǔn)確性也是比較重要的參考因素。綜合考慮下來，本方案陀螺儀傳感器 選用的是MPU-6050，加速度傳感器選用的是 </p><p>　　雖然有了上述傳感器可

21、以用來測(cè)出自平衡小車車體的當(dāng)前姿態(tài)，但是由于慣性傳感器自身的一些特性，所測(cè)的值會(huì)受外界環(huán)境的溫度、震動(dòng)等影響，繼而產(chǎn)生不同程度的誤差與噪聲。所以需要在采集傳感器數(shù)據(jù)后，在軟件中采用一些算法對(duì)這些傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析二次處理，同時(shí)對(duì)陀螺儀傳感器和加速度計(jì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析后，再計(jì)算出當(dāng)前小車的姿態(tài)，此時(shí)的結(jié)果將更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定。</p><p><b>　　1.2.3控制算法</b>

22、;</p><p>　　自平衡小車由于重力原因自身沒法保持平衡，需要根據(jù)反饋來調(diào)整自身的狀態(tài)達(dá)到平衡?？刂葡到y(tǒng)中陀螺儀GY521 MPU-6050傳感器和加速度傳感器，stm32微控制器，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)構(gòu)成了閉環(huán)的控制系統(tǒng)。加速度傳感器，陀螺儀GY521 MPU-6050傳感器采集當(dāng)前自平衡小車姿態(tài)，微控制器對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和分析，進(jìn)而控制馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，調(diào)整自平衡小車當(dāng)前姿態(tài)。控制算法采用了工業(yè)中常用的反饋調(diào)節(jié)算法:P

23、ID。PID算法在工業(yè)控制類的場(chǎng)合中有著廣泛的應(yīng)用，在應(yīng)用中充分驗(yàn)證了算法的可行性可優(yōu)越性。</p><p>　　1.3本文主要研究目標(biāo)與內(nèi)容</p><p>　　本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了一種雙輪的自平衡車，在適度的環(huán)境不利因素下也能夠保持自主站立。同時(shí)也能夠在Android手機(jī)端的App通過藍(lán)牙控制小車前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)彎。</p><p>　　在設(shè)計(jì)的過程中探究了陀螺儀傳感器和

24、加速度傳感器的互補(bǔ)特性，并用融合算法將兩者所測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合起來進(jìn)行分析，獲得了更為準(zhǔn)確的車身姿態(tài)。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)具體包括：</b></p><p>　　(1) 車體的機(jī)械結(jié)構(gòu)：包括車輪驅(qū)動(dòng)，重心調(diào)整，傳感器安裝，為后期開發(fā)提供良好的物理基礎(chǔ)；</p><p>　　(2) 小車硬件電路：電源必須要能夠穩(wěn)定的輸出，并且滿足馬達(dá)驅(qū)動(dòng)對(duì)

25、功率的需求。馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)十分重要，它是能夠及時(shí)調(diào)整小車姿態(tài)的關(guān)鍵因素；同時(shí)，為了后期方便調(diào)試，留出了一些比如電位器以及程序燒錄的調(diào)試接口，可大大簡(jiǎn)化后期調(diào)試過程和節(jié)約大量調(diào)試時(shí)間。為了后期方便更換器件，將主板設(shè)計(jì)成了接插口的方式。</p><p>　　(3) 小車軟件算法：通過陀螺儀GY521 MPU-6050傳感器和加速度傳感器檢測(cè)當(dāng)前小車姿態(tài)數(shù)據(jù)，微控制器獲取傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過PID算法得出相應(yīng)的控制力度

26、，從而調(diào)節(jié)自平衡小車馬達(dá)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)下的小車轉(zhuǎn)速，最終修正當(dāng)前小車姿態(tài)。但是，由于陀螺儀GY521 MPU-6050傳感器所測(cè)的角速度和角加速度以及加速度傳感器所測(cè)的加速度會(huì)受環(huán)境噪聲的影響，角速度只在很短的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，而加速度傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)的白噪聲十分嚴(yán)重，因此最好采用兩者的互補(bǔ)特性來設(shè)計(jì)卡爾曼濾波器來算出穩(wěn)定準(zhǔn)確地傳感器數(shù)據(jù)。</p><p>　　(4) PID調(diào)節(jié)算法：系統(tǒng)分為兩路閉環(huán)控制：一路是自平衡小車的傾

27、斜角度的閉環(huán)控制，用來保持車體平衡；另一路是自平衡小車的速度閉環(huán)控制，用來維持車體在一個(gè)指定的速度運(yùn)動(dòng)。</p><p><b>　　2. 系統(tǒng)原理分析</b></p><p>　　2.1控制系統(tǒng)要求分析</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，自平衡小車能夠自主保持平衡，并且能夠抵抗一定程度的外部環(huán)境的干擾。而且能夠在Android手機(jī)端App的控

28、制下，實(shí)現(xiàn)向前運(yùn)動(dòng)，向后運(yùn)動(dòng)，以及轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。結(jié)合系統(tǒng)分析可以知道，維持自平衡小車站立和前后運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力都來自于自平衡小車的兩個(gè)車輪，而車輪是由兩個(gè)直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的。所以，可以將自平衡小車作為一個(gè)調(diào)控對(duì)象，自平衡小車的兩個(gè)車輪的作為控制系統(tǒng)的控制量。整個(gè)系統(tǒng)分為3個(gè)部分：</p><p>　　(1)自平衡小車的站立控制：小車的傾斜角度作為輸入?yún)?shù)，通過控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速來保持小車的自平衡。</p><

29、p>　　(2)自平衡小車的速率控制：在能夠自主站立的基礎(chǔ)上，通過改變自平衡小車的傾斜角度來完成對(duì)車體運(yùn)動(dòng)速率的調(diào)節(jié)，其實(shí)仍是經(jīng)過對(duì)馬達(dá)的調(diào)控來完成小車車體運(yùn)動(dòng)速率的修改。</p><p>　　(3)自平衡小車轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)：通過調(diào)節(jié)自平衡小車兩個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成差速?gòu)亩鴮?shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)。</p><p>　　2.2平衡控制原理分析</p><p>　　維持小車自主

30、站立的直接靈感來自于我們的平時(shí)經(jīng)歷。人可以通過控制身體以及手的移動(dòng)方向和速度，來保持手指尖撐住的直桿屹立不倒。在保持直桿平衡的過程中，人需要完成兩個(gè)操作：一是人眼可以實(shí)時(shí)并準(zhǔn)確地觀測(cè)到直桿當(dāng)前的姿態(tài)，二是手指能夠根據(jù)當(dāng)前直桿的姿態(tài)來迅速調(diào)整自身位置和速度。這實(shí)際上就是本方案中的平衡車站立閉環(huán)負(fù)反饋控制。</p><p>　　圖2-1 維持直桿站立的負(fù)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)</p><p>　　自平衡

31、小車的自主站立也是經(jīng)過負(fù)反饋的調(diào)節(jié)來完成的，與在指尖維持直桿站立原理基本一致。</p><p>　　由于車體只有兩個(gè)車輪與地面接觸，自身穩(wěn)定能力極差，在重力的作用下極容易傾倒。小車上的放置的陀螺儀GY521 MPU-6050傳感器和加速度傳感器能夠?qū)π≤嚨漠?dāng)前姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，微控制器分析后控制車輪的旋轉(zhuǎn)，抵消傾斜力矩則可以達(dá)到維持小車平衡的目的。如圖2-2所示。</p><p>　　圖2

32、-2 通過車輪旋轉(zhuǎn)保持小車平衡</p><p>　　2.3自平衡小車數(shù)學(xué)模型</p><p>　　2.3.1兩輪自平衡小車受力分析</p><p>　　為了更好地實(shí)現(xiàn)小車的平衡，需要準(zhǔn)確地得出小車當(dāng)前姿態(tài)與馬達(dá)輸出之間的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　重力環(huán)境下繩索掛著物體可以被抽象成為理想的倒立擺模型，本文中的兩輪自平衡車可以被看做為倒立擺

33、模型來進(jìn)行分析，如圖2-3所示。</p><p><b>　　圖2-3倒立擺模型</b></p><p>　　對(duì)單擺進(jìn)行如下的受力分析 如下圖所示。</p><p>　　圖2-4 單擺受力分析</p><p>　　當(dāng)重物偏離中心的平衡位置后，就會(huì)受到重力與線的張力的合作用力，迫使重物回到中心處。這股合力被稱為回復(fù)力，它的

34、值為：</p><p><b>　?。ㄊ?-1）</b></p><p>　　停止的倒立擺受力情況如下，如圖2-5所示。</p><p>　　圖2-5倒立擺受力分析圖</p><p>　　由該受力分析可知，其回復(fù)力大小為：</p><p><b>　?。ㄊ?-2）</b>&l

35、t;/p><p>　　對(duì)于處于平衡位置的單擺而言，當(dāng)它離開中心位置時(shí)，它所受的合力與它的位移相反，所以合力能夠驅(qū)使它回到原處；但是對(duì)于倒立擺，當(dāng)它離開中心位置時(shí)，所受到的合力與位移卻剛好是同向的，所以此時(shí)會(huì)加速遠(yuǎn)離中心位置，最終傾倒。</p><p>　　通過判斷可以知道，要使倒立擺能夠有與偏離方向相反的回復(fù)力，則必須施加另一種力與偏移方向相反，從而使倒立擺所受合力與偏移方向相反，也即回復(fù)力總

36、是指向中心位置，達(dá)到能夠平衡的目的。</p><p>　　通過調(diào)節(jié)自平衡小車底部車輪轉(zhuǎn)速，使其做加速運(yùn)動(dòng)。在此情形下再來分析倒立擺的受力情況，如下圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6 非慣性系中的倒立擺受力分析</p><p>　　由于自平衡小車車輪做加速運(yùn)動(dòng)，倒立擺會(huì)受到慣性力。設(shè)車輪運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致倒立擺產(chǎn)生的加速度的值為α.若以地面作為參考系，可以得知倒立擺受

37、到的慣性力為：</p><p><b>　　（式2-3）</b></p><p>　　所以，倒立擺受到的合力為：</p><p><b>　　（式2-4）</b></p><p>　　在實(shí)際控制系統(tǒng)當(dāng)中，偏離角度θ很小，可以對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。系統(tǒng)中小車加速度α與偏離角度θ為正比關(guān)系，令比例系數(shù)為，則

38、式2-4可變換為：</p><p><b>　　（式2-5）</b></p><p>　　則小車的車輪的加速度應(yīng)該為：</p><p><b>　?。ㄊ?-7）</b></p><p>　　式中為傾斜角度，為傾斜角速度，、為比例系數(shù)。</p><p>　　2.4 PID控制器

39、設(shè)計(jì)</p><p>　　2.4.1 PID控制器原理</p><p>　　反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般包含三個(gè)環(huán)節(jié)：檢測(cè)，比較和輸出。檢測(cè)的值與預(yù)期值相比較，根據(jù)誤差量來控制輸出糾正系統(tǒng)偏量。PID控制器是當(dāng)前工業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛的一種反饋控制系統(tǒng)，在這里十分適用于小車的平衡反饋控制。PID由比例控制，積分控制，線性控制三個(gè)部分線性疊加而成。PID調(diào)節(jié)具有可靠性好，算法簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，調(diào)試起來簡(jiǎn)單

40、很多優(yōu)點(diǎn)。因此PID控制器自被采用以來，，在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。</p><p>　　PID控制器由比例控制單元（P）、積分控制單元（I）和微分控制單元（D）三個(gè)部分組成。它的輸入e (t）與輸出u (t）的模型為：</p><p><b>　　(式2-11)</b></p><p>　　其中為比例控制的系數(shù)參數(shù)；為積分的時(shí)間固定參數(shù)；為微分時(shí)間

41、的固定參數(shù)。</p><p>　　2.4.2 PID控制器設(shè)計(jì)</p><p>　　在本系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)中，與角度成比例的控制量采用比例控制，與角速度成比例的控制量采用微分控制，因而</p><p>　　自平衡小車在采用PID控制模型胡的輸出方程可寫為：</p><p><b>　　(式2-14)</b></p>

42、;<p>　　式2-14中，為PID控制輸出量，Angle為反饋傾角值，Angle_dot為反饋角速度值，Kp和Kd分別為比例系數(shù)及微分系數(shù)。</p><p>　　3.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1硬件電路整體框架：</p><p>　　硬件電路是整個(gè)系統(tǒng)可行性和可靠性的基礎(chǔ)。既要能夠滿足需求，也要能夠穩(wěn)定，高效的工作。系統(tǒng)硬件框架如下：

43、</p><p>　　3.2系統(tǒng)運(yùn)作流程介紹：</p><p>　　電源供電部分給各個(gè)器件按對(duì)應(yīng)所需電壓進(jìn)行供電，陀螺儀GY521 MPU-6050和加速度傳感器采集小車當(dāng)前姿態(tài)數(shù)據(jù)通過IIC接口發(fā)送給主控STM32F103RB，主控對(duì)數(shù)據(jù)分析后作出相應(yīng)反應(yīng)控制馬達(dá)驅(qū)動(dòng)改變馬達(dá)轉(zhuǎn)速修正小車姿態(tài)。馬達(dá)測(cè)速部分將所測(cè)速度反饋給主控制器STM32F103RB，主控對(duì)數(shù)據(jù)分析后作出相應(yīng)反應(yīng)控制馬達(dá)

44、驅(qū)動(dòng)改變馬達(dá)轉(zhuǎn)速修正小車速度與期望值一致。同時(shí)，主控STM32F103RB也可接收從手機(jī)端APP通過藍(lán)牙發(fā)送過來的指令，進(jìn)而根據(jù)指令控制小車作出相應(yīng)操作。</p><p>　　3.3下面分各個(gè)部分進(jìn)行介紹：</p><p>　　3.3.1電源供電部分：</p><p>　　系統(tǒng)采用航模電池進(jìn)行供電，輸出電壓12V；</p><p>　　12V

45、電壓經(jīng)過低壓差線性穩(wěn)壓器LM2940 后可輸出5V電壓給藍(lán)牙模塊和陀螺儀GY521 MPU-6050供電。</p><p>　　5V電壓經(jīng)過低壓差線性穩(wěn)壓器LT1117后可輸出3.3V電壓給主控stm32、測(cè)速模塊等供電。</p><p>　　3.3.2主控制器部分：</p><p>　　本方案采用的主控制器是意法半導(dǎo)體公司的高性價(jià)比控制器芯片：STM32F103R

46、B。它是一個(gè)32位的處理器，采用的是ARM 的thumb精簡(jiǎn)指令集，使用低功耗的CORTEX-M3 的 3 2位ARM核心。控制器自身帶有256KByte的flash,和40KByte的SRAM。含有2個(gè)12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，3個(gè)通用的16位TIMER,一個(gè)PULSE寬度調(diào)制器，多達(dá)2個(gè)IIC串行通信接口，以及2個(gè)SPI串行通信接口，3個(gè)USART串行通信接口，1個(gè)USB傳輸接口和一個(gè)控制器局域網(wǎng)絡(luò)接口。它的供電的電壓為2.6伏

47、~3.3伏，工作的溫度范圍為-40°C到+85°C，而且擁有一些列的低功耗模式，可以極大的減少系統(tǒng)在非工作模式下的功耗。</p><p>　　該款控制器一共擁有六十四個(gè)引腳，可以充分支持本方案所需要的各種外設(shè)模塊。既可以使用內(nèi)部時(shí)鐘也可以使用外部時(shí)鐘源，外部的晶振頻率推薦頻率為12兆赫茲。</p><p>　　電源供電電壓范圍為3.0伏～3.7伏：電源供電引腳為通用輸入

48、輸出引腳和內(nèi)部的各類器件進(jìn)行供電。  </p><p>　　模擬地，模擬供電 電壓范圍為3.0伏～3.7伏：為模數(shù)轉(zhuǎn)換器、RST電路、內(nèi)部時(shí)鐘源和鎖相環(huán)等部分提供電源。使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)，模擬供電的電壓不能夠小于3.0伏。模擬供電 電壓和模擬地必須分別連接到電源供電電壓和地。 </p><p>　　備份電源電壓范圍為 2.0～3.7

49、伏：當(dāng)關(guān)閉電源供電電壓輸入時(shí)，(通過內(nèi)部電源切換器)為實(shí)時(shí)時(shí)鐘、EXTERN 32k赫茲晶振和BKP寄存器進(jìn)行供電。</p><p>　　STM32F103RB采用的是可嵌套的VECTOR INTERRUPT ，該低功耗控制器嵌入一個(gè)嵌套INTERRUPT VECTOR控制器可以支持不同的優(yōu)先級(jí)中斷進(jìn)入。</p><p>　　?緊密耦合的NVIC提供低延遲中斷處理</p&

50、gt;<p>　　?中斷入口向量表地址直接傳遞到核心</p><p>　　?緊密耦合的NVIC核心接口</p><p>　　?允許早期處理中斷</p><p>　　?處理遲到的高優(yōu)先級(jí)中斷</p><p><b>　　?支持尾鏈</b></p><p>　　?處理器狀態(tài)自

51、動(dòng)保存</p><p>　　?中斷入口恢復(fù)中斷出口沒有指令的開銷</p><p>　　在本方案中用到了STM32F103RB控制器的如下外設(shè)：</p><p>　　內(nèi)部FLASH:用來存儲(chǔ)程序和靜態(tài)數(shù)據(jù)；</p><p>　　內(nèi)部SRAM：用來存放程序運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，比如堆，棧等。</p><p>　　GPIO

52、: 通用串行輸入輸出引腳，用來驅(qū)動(dòng)LED作為指示功能。</p><p>　　USART：通用串行通信設(shè)備，用來與藍(lán)牙模塊連接，與藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，設(shè)置藍(lán)牙模塊工作方式，接收藍(lán)牙模塊發(fā)來的控制命令。</p><p>　　SPI:串行通信設(shè)備，用來與陀螺儀GY521 MPU-6050等傳感器進(jìn)行通信，接收傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)分析。</p><p>　　AD:模

53、數(shù)轉(zhuǎn)換器，主要用于方便后期功能調(diào)試，通過電位器就可以了修改程序運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)，大大簡(jiǎn)化開發(fā)步驟和節(jié)約調(diào)試時(shí)長(zhǎng)。</p><p>　　JTAG: 標(biāo)準(zhǔn)芯片調(diào)試接口，主要用來下載程序和調(diào)試程序。</p><p>　　主控制器stm32f103RB最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì):</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用意法半導(dǎo)體公司32位單片機(jī)stm32f103RB為控制器，其最小系統(tǒng)的電路如

54、圖3-3，主要有控制器供電部分、復(fù)位電路部分、外部時(shí)鐘部分，啟動(dòng)選擇部分。由于控制器內(nèi)部集成了FLASH、SRAM、PWM、SPI、IIC、USART、TIMER、AD等模塊，因此使用起來特別方便。</p><p>　　3.3.3陀螺儀傳感器部分：</p><p>　　本方案中采用的陀螺儀傳感器的型號(hào)為MPU-6050，它的內(nèi)部同時(shí)帶有陀螺儀傳感器和加速度傳感器的功能，內(nèi)部還有可自定義進(jìn)行

55、功能拓展的協(xié)處理器。除此之外，還可以利用MPU-6050的IIC 通用串行數(shù)據(jù)傳輸接口來連接一個(gè)額外的DIGITAL傳感器，比如溫度傳感器。</p><p>　　MPU-6050分別對(duì)它的陀螺儀傳感器和加速度傳感器使用了一個(gè)16位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將它的模擬信號(hào)量轉(zhuǎn)化為可以輸出的數(shù)字信號(hào)量。為了在不同的情形下使用不同的測(cè)量范圍和測(cè)量速度，該SENSOR的檢測(cè)精度和速度是可以通過程序進(jìn)行自主設(shè)置的，陀螺儀傳感器的可

56、測(cè)量范圍為-250dps到+250dps，-500dps到+500dps，-1000dps到+1000dps，-2000dps到+2000dps。加速度計(jì)可測(cè)量范圍為：-2g到+2g，-4g到+4g，-8g到+8g，-16g到+16g。MPU-6050上有1KByte的緩沖區(qū)域，有助于增加系統(tǒng)節(jié)能效率。和所有設(shè)備之間通信采用400K赫茲的IIC接口或者1M赫茲的SPI接口。MPU-6050的供電電源電壓范圍為2.8伏~4.0伏。MPU-

57、6050有一個(gè)可用來編程的中斷體系，可以采用在中斷的引腳產(chǎn)生中斷信號(hào)，狀態(tài)標(biāo)志寄存器可以說明中斷信號(hào)的來源。本方案中采用IIC接口與MPU-6050進(jìn)行通信，IIC硬件連接相對(duì)比較簡(jiǎn)單，只需要兩根線（SDA數(shù)據(jù)線、SCL時(shí)鐘線）即可完成數(shù)據(jù)的傳輸，并且速度也能滿足本方案的需求。</p><p>　　3.3.4馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路: </p><p>　　本方案采用的驅(qū)動(dòng)電路方案為：</p&g

58、t;<p>　　文件夾中有電路圖 需要截圖使用。</p><p>　　3.3.5測(cè)速部分：</p><p>　　對(duì)于檢測(cè)自平衡小車小車車輪的旋轉(zhuǎn)速率有這下面幾種方案：</p><p>　　光反射法。運(yùn)用不相同色彩物體對(duì)光的吸收結(jié)果不同的原理，在馬達(dá)軸上安裝的轉(zhuǎn)盤上繪制一條反光較強(qiáng)的線，然后在同一端用光源照射并采用光-電感應(yīng)器件采樣轉(zhuǎn)盤的反射光，形成P

59、ULSE信號(hào)，通過對(duì)單位時(shí)長(zhǎng)段內(nèi)的PULSE數(shù)量統(tǒng)計(jì)，就可以計(jì)算出馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)的速率。</p><p>　　光柵法。在馬達(dá)軸上安裝一個(gè)轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤上均勻分布有扇形槽孔，在轉(zhuǎn)盤的兩端分別放置紅外發(fā)射端和紅外接收端，在馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時(shí)，紅外接收端則會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的PULSE信號(hào)，通過對(duì)單位時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的PULSE記錄，就可以計(jì)算出馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)的速率。</p><p>　　霍爾開關(guān)檢測(cè)法。同樣也是在馬達(dá)旋轉(zhuǎn)軸徑上安裝

60、一個(gè)轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤上同時(shí)安裝一個(gè)帶有磁性的塊狀物體，在它的旋轉(zhuǎn)路徑環(huán)外部安裝一個(gè)霍爾檢測(cè)器件開關(guān)，在馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾檢測(cè)器件開關(guān)則可以響應(yīng)定期的電磁信號(hào)，形成PULSE信號(hào)，通過對(duì)單位時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的PULSE記錄，就可以計(jì)算出馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)的速率。</p><p>　　對(duì)于上述三種方案，光束在反射的過程中容易受環(huán)境光的干擾，而第二種方案光柵法相對(duì)于第三種方案霍爾開關(guān)檢測(cè)法實(shí)施起來更為方便。所以本設(shè)計(jì)中采用的測(cè)速方案為光柵法來測(cè)

61、量馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。測(cè)速的電路如下：</p><p>　　3.3.6調(diào)試部分AD JTAG：</p><p><b>　　有原理圖 需要截圖</b></p><p>　　為了方便調(diào)試，在硬件結(jié)構(gòu)上增加了如下調(diào)試接口：</p><p>　　JTAG接口：JTAG是一種標(biāo)準(zhǔn)的芯片調(diào)試接口，一共有20個(gè)引腳。其中主要引腳功能分別如

62、下所述：</p><p>　　TRST:芯片復(fù)位的引腳，用來在調(diào)試或者下載程序時(shí)對(duì)相應(yīng)芯片進(jìn)行復(fù)位操作。</p><p>　　TDI: JTAG測(cè)試數(shù)據(jù)通過串行通訊的傳輸引腳。</p><p>　　TMS：JTAG的測(cè)試調(diào)試模式的選擇。</p><p>　　TCK: JTAG的測(cè)試的時(shí)鐘輸入引腳。</p><p>　　

63、TDO:測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過串行通信數(shù)據(jù)輸出的引腳。</p><p>　　VCC: 電源正極引腳。</p><p>　　VSS: 電源負(fù)極引腳。</p><p>　　將其置于電路板上，主要用于程序的在線下載和調(diào)試，可以極大的加快開發(fā)效率。</p><p>　　同時(shí)，也在電路板上放置了4個(gè)電位器調(diào)試接口，可以在程序運(yùn)行時(shí)方便的修改一些系統(tǒng)參數(shù)，而不需要

64、每次重新更改程序，然后下載程序再次上電測(cè)試。這樣也是極大的簡(jiǎn)化了調(diào)試環(huán)節(jié)，節(jié)約了開發(fā)時(shí)長(zhǎng)。</p><p>　　3.3.7藍(lán)牙通信部分：ZK-07</p><p>　　為了更加方便的實(shí)現(xiàn)控制自平衡小車的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向，有如下幾種方案可供選擇：</p><p>　　1 通過在小車上放置按鍵來控制小車的運(yùn)動(dòng)方式。這種方式雖然實(shí)現(xiàn)起來十分簡(jiǎn)單，但是在操控的時(shí)候十分不便，

65、而且也不夠?qū)崟r(shí)。所以放棄此方案。</p><p>　　2通過紅外遙控。在自平衡小車上安裝一個(gè)紅外接收器，在另一端持有一個(gè)紅外發(fā)送裝置，可以實(shí)時(shí)的向自平衡小車發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車靈活的控制。但是紅外的信息發(fā)送和接收必須要求兩端接口方向基本一致，對(duì)于移動(dòng)中的小車來說，顯然不太適合。</p><p>　　通過433頻段的電磁波遙控模塊進(jìn)行命令的發(fā)送和接收，此種方案既能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制，也沒有

66、對(duì)發(fā)送過程中方向的限制，是一種比較好的方案，但是這要求額外制作一個(gè)發(fā)送器。</p><p>　　通過手機(jī)的藍(lán)牙與自平衡小車進(jìn)行通信，除了第三種方案的優(yōu)勢(shì)以外，還能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。最終選用第四種方案。</p><p>　　本方案選用的藍(lán)牙模塊為ZK-07，它是眾多藍(lán)牙透?jìng)髂K中的一種。ZK-07藍(lán)牙模塊可以通過通用串行傳輸U(kuò)SART與各類控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通信傳輸過程中，采用AT命令來調(diào)整

67、藍(lán)牙模塊各種參數(shù)，比如通信測(cè)試，修改藍(lán)牙模塊名稱，修改串口傳輸波特率，修改藍(lán)牙配對(duì)密碼等。ZK-07的串口初始 BAUD是9600bps, 藍(lán)牙模塊中所有設(shè)置好的參數(shù)在斷電之后依然不會(huì)丟失。通過AT指令對(duì)藍(lán)牙模塊進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置之后，就可以發(fā)送命令使藍(lán)牙模塊進(jìn)入透?jìng)髂Ｊ?，與手機(jī)端的藍(lán)牙進(jìn)行通信。透?jìng)魇侵?，兩端傳輸?shù)據(jù)時(shí)不用了解中間傳輸?shù)倪^程，實(shí)現(xiàn)所發(fā)即所得。在本方案中，主控芯片通過USARTA1接口與藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，小車上的藍(lán)牙

68、模塊與手機(jī)端的藍(lán)牙配對(duì)成功后，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在手機(jī)端給自平衡小車發(fā)送相應(yīng)的命令，小車接收相應(yīng)命令后調(diào)整自身向前行進(jìn)，向后行進(jìn)，以及左右轉(zhuǎn)向等操作。</p><p><b>　　3.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章節(jié)主要說明了系統(tǒng)硬件電路部分的設(shè)計(jì)，包括控制器STM32F103RB最小系統(tǒng)電路，供電部分模塊設(shè)計(jì)，陀螺儀傳感器MPU-6050電路設(shè)計(jì)，加速

69、度計(jì)傳感器電路設(shè)計(jì)，基于H橋的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)，光柵法側(cè)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速率模塊的設(shè)計(jì)，輔助調(diào)試電位器、JTAG模塊設(shè)計(jì)，藍(lán)牙模塊通信部分模塊設(shè)計(jì)。至此，本設(shè)計(jì)中硬件電路的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)完成。</p><p><b>　　4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　前面說明了自平衡小車體系的原理部分，建模部分，

70、硬件電路設(shè)計(jì)部分。本章將介紹本設(shè)計(jì)中的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分，控制過程的構(gòu)思和實(shí)現(xiàn)是最重要的部分。</p><p>　　軟件設(shè)計(jì)主要包括如下內(nèi)容：各類外設(shè)驅(qū)動(dòng)，其中包括USART驅(qū)動(dòng)，IIC驅(qū)動(dòng)，PWM外設(shè)驅(qū)動(dòng)，定時(shí)器驅(qū)動(dòng)，陀螺儀MPU6050傳感器、加速度傳感器驅(qū)動(dòng)，AD驅(qū)動(dòng)。以及各外設(shè)及模塊的初始化，小車姿態(tài)數(shù)據(jù)的獲取以及濾波，小車車輪速度測(cè)量，以及適配本系統(tǒng)的PID算法?？刂葡到y(tǒng)的運(yùn)作流程框圖如圖4-1所示。&l

71、t;/p><p>　　圖4-1系統(tǒng)總體軟件流程圖</p><p>　　4.2系統(tǒng)初始化過程</p><p>　　軟件系統(tǒng)初始化主要包括如下這幾部分：中斷初始化、模數(shù)轉(zhuǎn)換部分（AD）、通用串行通信模塊（USART），定時(shí)器（TIMER）及PWM模塊等。</p><p>　　4.2.1模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（AD）初始化設(shè)置</p><p&

72、gt;　　為了在后期更好的調(diào)試，利用四個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)外提供了四個(gè)系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)接口。也就是說，不需要重新修改程序再次下載上電，就可以在程序運(yùn)行中修改系統(tǒng)參數(shù)來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。STMF103RB的模數(shù)轉(zhuǎn)換器外設(shè)AD有16個(gè)通道，最高精度可達(dá)12位，單次采樣時(shí)間最短可至1.17微秒。初始化過程如下：</p><p>　　4.2.2通用串行通信USART初始化</p><p>　　通用串行通信US

73、ART模塊的初始化中主要設(shè)置如下參數(shù)：串口波特率，工作模式，停止位，中斷允許標(biāo)志位，DMA是否開啟，校驗(yàn)?zāi)Ｊ?。初始化過程如下：</p><p>　　4.2.3光柵法測(cè)速模塊初始化</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，通過光柵法來獲取小車速度。光柵接收端的PULSE數(shù)量與自平衡小車移動(dòng)的距離成正比。根據(jù)光柵測(cè)量的PULSE數(shù)量來計(jì)算小車轉(zhuǎn)速有以下兩種方案：</p><p>

74、;　　在單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)光柵產(chǎn)生的PULSE個(gè)數(shù)來計(jì)算小車速率，稱為M法測(cè)速；</p><p>　　計(jì)算兩個(gè)相鄰光柵接收PULSE的時(shí)間差來測(cè)量小車速度，稱為T法測(cè)速；</p><p>　　在上述兩種測(cè)速方法中，第一套措施用于高速的應(yīng)用效果更好，第二套措施用于低速的應(yīng)用效果更好。在本設(shè)計(jì)中如果采用前者測(cè)速，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)一圈會(huì)產(chǎn)生400個(gè)PULSE，高頻的中斷會(huì)影響控制系統(tǒng)的精度，因此本設(shè)計(jì)中采用

75、第一套方法來測(cè)量小車速度。</p><p>　　4.3平衡PID控制軟件實(shí)現(xiàn)</p><p>　　自平衡小車在采用PID控制模型的輸出方程可寫為：</p><p><b>　　(式2-14)</b></p><p>　　式2-14中，為PID控制輸出量，Angle為反饋傾角值，Angle_dot為反饋角速度值，Kp和Kd

76、分別為比例系數(shù)及微分系數(shù)。在本設(shè)計(jì)中，采用的調(diào)節(jié)自平衡小車車速的方法是調(diào)節(jié)小車馬達(dá)電壓，輸出電壓與PWM驅(qū)動(dòng)的占空比成正比。相應(yīng)公式如下：</p><p>　　Uout=Kp*angle+Kd*angle_dot (式4-8)</p><p>　　式中：Kp、Kd為比例系數(shù)和微分系數(shù)，angle為車

77、身傾角，angle_dot為車身傾斜的角速度。</p><p>　　在調(diào)試的過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)自平衡小車偏移角度很小的時(shí)候，馬達(dá)的輸出量很小，但是由于馬達(dá)由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，需要克服一個(gè)靜態(tài)摩擦力，所以在此階段就存在一個(gè)調(diào)節(jié)死區(qū)：PWM有輸出，但是馬達(dá)并沒有旋轉(zhuǎn)。為了克服這種情況，需要對(duì)馬達(dá)的輸出在低輸出區(qū)域增加一個(gè)死區(qū)補(bǔ)償，增加系統(tǒng)在靜態(tài)時(shí)的穩(wěn)定性。</p><p>　　圖4-4 馬達(dá)

78、死區(qū)補(bǔ)償</p><p><b>　　有</b></p><p>　　圖4-5 自平衡PD控制軟件流程圖</p><p>　　4.4兩輪自平衡車的運(yùn)動(dòng)控制</p><p>　　車速PID控制程序如下：</p><p><b>　　5. 總結(jié)與展望</b></p>

79、<p><b>　　5.1 總結(jié)</b></p><p>　　在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，經(jīng)歷了一個(gè)完整的設(shè)計(jì)過程：自平衡車的自平衡原理探究和論證，整體功能設(shè)計(jì)，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件電路設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)以及最后的實(shí)物制作和調(diào)試，最終完成本作品。</p><p>　　自平衡車的自平衡原理探究和論證主要包含物理模型分析，數(shù)學(xué)建模，PID原理分析部分；整體功能設(shè)計(jì)部分主

80、要包括了功能實(shí)現(xiàn)方案的選擇，各個(gè)功能模塊開發(fā)可行性分析；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括小車機(jī)械主體搭建，整體重心調(diào)整，傳感器裝置的安裝等；硬件電路設(shè)計(jì)部分主要包括電源供應(yīng)模塊的設(shè)計(jì)，主控制器STM32F103RB最小系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)，傳感器數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)，兩輪馬達(dá)轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)，藍(lán)牙模塊數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計(jì)，輔助調(diào)試模塊的設(shè)計(jì)，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)；軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括各類模塊驅(qū)動(dòng)的開發(fā)，傳感器數(shù)據(jù)的采集和濾波，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速測(cè)量，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速控制，

81、主控制器以及各外設(shè)的初始化，藍(lán)牙模塊通信的開發(fā)以及PID控制器算法的設(shè)計(jì)；最后進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試和完善。</p><p>　　本方案最終實(shí)現(xiàn)了雙輪自平衡小車的自主站立，能夠抵抗一定程度的外界環(huán)境干擾。同時(shí)，能夠在保持平衡的基礎(chǔ)上，通過Android手機(jī)控制小車的前進(jìn)、后退、和轉(zhuǎn)彎等操作。</p><p><b>　　5.2 展望</b></p><

82、p>　　由于時(shí)間和能力有限，本設(shè)計(jì)只是完成了一個(gè)簡(jiǎn)單地自平衡小車運(yùn)動(dòng)模型，還有如下方面可以繼續(xù)提高：</p><p>　　(1)改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；</p><p>　　(2)采用更高精度的陀螺儀傳感器和加速度計(jì)傳感器，提升系統(tǒng)姿態(tài)測(cè)量的精度。</p><p>　　(3)使用工作頻率更高的主控制器，提高系統(tǒng)運(yùn)算速度。</p><p

83、><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]張培仁.基于16/32位DSP機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2006:911.</p><p>　　[2]李紅美,李智,高飛.平衡的杰作——賽格威FIT兩輪平臺(tái)電動(dòng)車[J].電器工業(yè). 2002, (6):19-21.</p><p>　　[3]屠運(yùn)

84、武,徐俊艷,張培仁.自平衡控制系統(tǒng)的建模與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).2004(04).</p><p>　　[4]Ren Yafie,Ke Xizheng,Liu Yijie.MEMS Gyroscope Performance Estimate Based on Allan Variance[A].In Proceedings of 2007 8th International Conference on E

85、lectronic Measurement & Instruments[C]. Xi'an China.Vol.1, 260-263.</p><p>　　[5]王曉宇,閆繼宏,臧希喆等.兩輪白平衡機(jī)器人多傳感器數(shù)據(jù)融合方法研究[J].傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)．2007，(3)：668～672 </p><p>　　[6] 趙杰,王曉宇,秦勇等.基于UKF的兩輪自平衡機(jī)器人姿態(tài)最優(yōu)

86、估計(jì)研究[J].機(jī)器人. 2006: (11),605—609.</p><p>　　[7] 耿延睿,崔中興.組合導(dǎo)航系統(tǒng)卡爾曼濾波衰減因子自適應(yīng)估計(jì)算法研究[J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào).2001(04).</p><p>　　[8 秦永元,張洪鉞,汪叔華.卡爾曼濾波與組合導(dǎo)航原理[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社, 1998.</p><p>　　[9] 付夢(mèng)印,鄧志紅

87、,張繼偉.Kalman濾波理論及其在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].第二版.北京:科學(xué)出版社,2010. </p><p>　　[10] 周豐,王南山,陳卉.C語言教程[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2008.</p><p>　　[11] 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005．</p><p>　　[12] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]..北京:高

88、等教育出版社,2006.1.</p><p><b>　　附 錄</b></p><p>　　附錄一 系統(tǒng)電路原理圖</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　不知不覺，大學(xué)生活已經(jīng)接近尾聲，畢業(yè)設(shè)計(jì)的工作也即將結(jié)束?；仡櫞髮W(xué)四年的心路歷程，感慨良多。</p>&

89、lt;p>　　在這里，我首先要感謝我的指導(dǎo)老師盧仕老師。在大學(xué)的學(xué)習(xí)過程中，感謝他教給了我扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)，讓我至今十分受用。同時(shí)，也給我們提供了機(jī)會(huì)讓我們能夠較早的接觸電子行業(yè)各種各樣有趣的東西，正是有了這些興趣，才使我們?cè)陔娮有袠I(yè)里越學(xué)越有勁。不僅如此，也感謝他帶領(lǐng)我們參加了各種各樣的比賽，讓我們?cè)诒荣悓?shí)戰(zhàn)中學(xué)習(xí)，成長(zhǎng)，認(rèn)識(shí)自己的不足，然后加以修正。在畢業(yè)設(shè)計(jì)制作的過程中，也感謝他在百忙之中還能夠細(xì)心的指導(dǎo)我，從畢業(yè)課題的選擇，

90、到畢業(yè)作品的設(shè)計(jì)和制作，到畢業(yè)論文的編撰，期間的每一步都有老師認(rèn)真的指導(dǎo)。他對(duì)待工作的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和對(duì)學(xué)生無微不至的關(guān)心，給我以后的工作、學(xué)習(xí)和生活樹立了良好的榜樣。</p><p>　　另外，十分感謝王曉臨老師，。無論是在平時(shí)的學(xué)習(xí)和生活中，還是在這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，老師總是能夠細(xì)心和我們探討和解決問題。當(dāng)我們遇到挫折時(shí)，總是能夠給予我們信心，悉心指導(dǎo)，帶著我們戰(zhàn)勝困難。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，給了我們莫大的幫助

91、。</p><p>　　我也要感謝和我一起學(xué)習(xí)電子的朋友。因?yàn)榕d趣，我們聚到一起；因?yàn)閴?mèng)想，我們互相攙扶合作，在電子行業(yè)的海洋中不斷學(xué)習(xí)新的知識(shí)，挑戰(zhàn)困難，戰(zhàn)勝困難，最終收獲良多。</p><p>　　同時(shí)，我要感謝我的母?！贝髮W(xué)，是母校給我們提供了完善的學(xué)習(xí)環(huán)境和優(yōu)良的學(xué)習(xí)氛圍；也感謝每個(gè)曾經(jīng)教我課的老師，是你們教給了我專業(yè)的知識(shí)和技能。</p><p>