基于ARM的自平衡小車系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì).pdf

1、兩輪自平衡小車是在輪式機(jī)器人的基礎(chǔ)上發(fā)展的，其具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，運(yùn)動(dòng)靈活的特點(diǎn)?？梢栽谟邢薜墓ぷ骺臻g快速、穩(wěn)定的完成任務(wù)，在軍事、科研、民用等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
　　本設(shè)計(jì)選用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于ARM(Advanced RISC Machines) Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6作為微控制器，在對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)原理以及硬件平臺(tái)學(xué)習(xí)和研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制作一輛能夠自己保持平衡的兩輪直立小車，

2、并且能夠進(jìn)行運(yùn)動(dòng)行走。完成了硬件平臺(tái)的搭建和軟件的測(cè)試，包括驅(qū)動(dòng)電路模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、傳感器模塊、電源降壓模塊、主控芯片最小系統(tǒng)測(cè)試以及電機(jī)性能檢測(cè)等等。
　　兩輪直立小車是通過對(duì)車身實(shí)時(shí)傾斜角度進(jìn)行控制來保持直立。單獨(dú)使用陀螺儀測(cè)量角度會(huì)使測(cè)量轉(zhuǎn)換得到的角度因?yàn)闇囟绕贫a(chǎn)生誤差；單獨(dú)使用加速度計(jì)會(huì)造成動(dòng)態(tài)角度測(cè)量不準(zhǔn)確。本設(shè)計(jì)采用姿態(tài)傳感器MPU6050內(nèi)置3軸陀螺儀和3軸加速度計(jì)對(duì)小車進(jìn)行姿態(tài)解析。利用MPU6050內(nèi)

3、部數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器直接將6軸數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為四元數(shù)，在主控芯片中將四元數(shù)進(jìn)行量化后轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的歐拉角，避免了復(fù)雜的濾波算法設(shè)計(jì)和繁瑣的靜態(tài)參數(shù)調(diào)節(jié)。
　　通過對(duì)倒立擺模型以及直立小車數(shù)學(xué)模型分析得到小車自平衡穩(wěn)定的條件。然后對(duì)車身角度和角速度進(jìn)行比例微分（PD）控制。通過大量的實(shí)際測(cè)量和波形分析整定合適的比例微分控制參數(shù)，保證小車能夠穩(wěn)定直立。然后對(duì)速度、位移量和給定速度量進(jìn)行比例積分（PI）控制。最后將轉(zhuǎn)彎量、PD控制量和PI控制量疊加