两轮平衡车
摘要：最近几年以来，两轮自平衡小车的发展与研究获得了快速的发展。本文中提出一种两轮自平衡小车的设计方法，应用了三轴陀螺仪和三轴加速度传感器构成了小车的姿态检测装置，并且使用卡尔曼滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的完美分析。系统选用了宏晶公司的IAP15W4K61S4单片机为控制核心，完成了传感器信号的处理以及滤波算法的实现及车身控制和人机交互等。
整个小车系统制作完成后，自平衡小车能够正常实现功能并且小车能够在没有人的干预情况下实现平衡。不仅如此，小车在引入适量干扰的情况下小车也能够凭借自己的调整并迅速恢复稳定形态。小车也能够实现前进，后退和左右转向等基本的操作要求。
自平衡小车的起初设计思想是娱乐、经济、方便、节能以及环保。本车具有很多特点，主要特点有运动灵活、智能控制和操作简便等，但是它价格低廉、性价比高，适用性增强。与此同时自平衡小车车适用范围更广，而且市场需求大，具有超级强的市场推广价值和潜力。
关键词：两轮自平衡 陀螺仪 姿态检测 卡尔曼滤波 数据融合
two rounds of balance
ABS:In recent years, the two-wheeled self-balancing vehicle research and development has gained rapid development. This paper presents a two-wheeled vehicle design, using a three-axis gyroscope and tri-axial acceleration sensor car attitude detection device using Kalman filter complete the gyro and accelerometer data for integration of data. System macro-crystalline IAP15W4K61S4 as the core of the company, completed the sensor signal processing, filtering algorithm and body control, and human-computer interaction.
Completion of the whole system, each module to function and coordinate their work, the car can realize an independent and balanced under the conditions without human intervention. While introducing the right amount interference case cart can adjust independently and rapidly restore stability. Cars can also move forward and backward, turn left and the basic actions.
Two-wheeled self-balancing vehicle basic design concept is entertainment, economic, safety, convenience and energy saving and environmental protection. This car has the advantages of moving flexible, intelligent control, the operation is simple, but its low price, high performance, enhanced entertainment and applicability. Two-wheeled self-balancing vehicles more widely applicable, market demand, has a strong marketing value and market potential.
Key words: two-wheeled self-balancing gyro attitude detection of Kalman filtering for data fusion
目录
第一章 引言 1
1.1研究背景与意义 1
1.2两轮自平衡车的关键技术 1
1.2.1设计目标 1
1.2.2设计数学建模 1
1.2.3姿态检测系统 2
1.2.4控制算法 2
第二章 总体方案的设计与论证 3
2.1控制系统分析 3
2.2自平衡车平衡设计 4
2.3自平衡车的速度设计 7
2.4自平衡车的方向设计 8
2.4.1 道路电磁中心线的偏差检测 9
2.4.2电机差动控制 的设计 9
2.5自平衡车的倾角测量 9
2.5.1加速度传感器 10
2.5.2角速度传感器 11
2.6本章小结 12
第三章 自平衡车硬件设计 13
3.1 硬件参数 13
3.2单片机最小系统 14
3.3系统电源 15
3.4姿态传感器 15
3.5电机驱动电路设计 16
3.5.1驱动芯片 16
3.5.2驱动电路 16
3.6 USB-Serial协议转换 18
3.7本章小结 18
第四章 软件设计 19
4.1软件系统总体结构 19
4.2单片机初始化 20
4.2.1 GPIO程序设计 20
4.2.2PWM程序设计 20
4.2.3定时器程序设计 20
4.2.4串口程序设计 21
4.3MPU6050配置程序设计 22
4.5主循环-125Hz循环 25
4.6本章小结 25
第五章 调试与分析 26
5.2系统的硬件电路调试 27
5.3姿态系统的调试 28
5.4系统PID参数设计 29
5.5自平衡小车的动态调试 30
5.6本章小结 30
第六章 总结 30
致谢 31
参考文献 33
附录 34
附录一 原理图 34
附录二 控制源代码 35
参考文献
[1] 康华光.电子技术基础[M]..北京:高等教育出版社,2006.1.
[2]浩强.C程序设计[M].北京:清华大学出版社,2005．
[3] 霍亮.两轮自平衡电动车的关键技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2010.
[4 屠运武,徐俊艳,张培仁.自平衡控制系统的建模与仿真[J].系统仿真学报.2004(04).
[5]耿延睿,崔中兴.组合导航系统卡尔曼滤波衰减因子自适应估计算法研究[J].中国惯性技术学报.2001(04).
[6]付梦印,邓志红,张继伟.Kalman滤波理论及其在惯性导航系统中的应用[M].第二版.北京:科学出版社,2010.
[7] 邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法[M].北京:机械工业出版社,2004.
[8] 薛涛.单片机与嵌入式系统开发方法[M].北京:清华大学出版社,2009.10.
[9]孙同景.Freescale 9S12 16位单片机原理及嵌入式开发技术[M].北京:机械工业出版社,2008.5.
[10]周丰,王南山,陈卉.C语言教程[M].武汉:华中科技大学出版社,2008.
http://www.bysj360.com/html/6486.html
http://www.bysj360.com/html/6469.html
http://www.bysj360.com/html/6483.html
