两轮平衡小车的设计
目录
第一章 、绪论 3
1.1课题研究的背景和意义 3
1.1.1平衡小车的研究背景 3
1.1.2研究意义 4
1.2两轮自平衡小车的研究现况 4
1.2.1国外研究状况 4
1.1.2国内研究状况 4
第二章 、总体设计 6
2.1设计目标 6
2.2工作原理与分析 6
2.3平衡车的配置 6
2.4关键技术 7
2.4.1数学建模 7
2.4.2姿态检测系统 7
2.5本章小结 8
第三章 、系统硬件设计 9
3.1MC9S12XS128单片机介绍 9
3.2单片机最小系统设计 10
3.3传感器信号调理电路 11
3.3.1陀螺仪放大电路设计 11
3.3.2加速度计 11
3.4电源模块电路设计 12
3.5辅助调试电路 12
3.6编码器电路设计 12
3.7电机驱动控制电路设计 13
3.7.1驱动芯片介绍 13
3.7.2驱动电路设计 13
3.8人机交互接口电路设计 13
3.8.1CAN总线和LIN总线设计 13
3.8.2人机交互电路设计 14
第四章 、系统软件设计 15
4.1A/D转换的实现 16
4.1.1A/D转换器的选择要求 16
4.2PID控制器算法 16
4.3PWM信号 16
4.4平衡车控制程序 17
第五章 、系统调试 18
5.1控制系统PID参数设置 18
5.2姿态检测系统调试 19
第六章 、总结和展望 20
6.1总结 20
致谢 21
附录 22
参考文献 22
第一章、绪论
两轮平衡小车运用了电子技术和机械技术两大核心技术，机械系统研究的是小车构造的分析；而电子系统研究的是对机械结构的精准控制、调节以及信息反馈。目前平衡小车广泛的应用于各个领域，但仍然拥有巨大的市场价值和潜力。
图1市场上的平衡车
1.1课题研究的背景和意义
1.1.1平衡小车的研究背景
随着环境污染，能源短缺，交通拥挤等问题的不断出现，市场上出现了新型的交通代步工具--平衡小车。小车是电子技术进步的产物，许多的零部件都集成在了一块芯片上面，极大地缩小产品的体积。它以电能作为动力，只要充电就能行驶，对环境毫无影响；同时它占地面积小，灵活性强，适用于各种场所得到了人们的广泛好评。近年来，随着节能环保理念的流行，平衡小车的地位得到了提升。在生活中，人们短距离出行无非是步行、骑车，但是步行太浪费时间，又损耗了许多精力。而骑车也不是一种好的选择，它需要人来踩动，同样要费力气。更重要是骑自行车是一件并不算容易的事情，骑自行车经常会遇到意外情况，骑车摔倒也是家常便饭的是。回忆初学自行车的时候，花费了许多的时间练习。而平衡车根本不需要花费任何时间练习，平衡小车只需要让人站立在上面，会自动根据小车的倾斜状况做出相关指令。想象一下，当你出门的时候使用平衡车，可以直接到达目的地，甚至从头到尾不需要脚落地。平衡小车同样适用于老年人，凭借它能在某种程度上缩短了距离。老年人腿脚走的慢，使用它再也不害怕走路摔倒。正是这种情况，我们的平衡小车才出现在市场上。
1.1.2研究意义
平衡小车相对于普通的交通工具来说，它所占的空间很小。同样大的空间或许只能停放一辆汽车，但是却能容纳十几辆平衡车。平衡车可以说的算是物美价廉，大部分在两千圆内。它的出现缩短了出行的时间，让短途出行丰富起来，像是在玩耍一样。并且它的使用人群十分广泛，不仅成年人可以使用，老人儿童同样可以进行操作。使用平衡车出行，不会让你双脚感到疲惫，你也不会出现满头大汗的情形；它不仅能适用于家庭内，也可以在大型公开场合使用，甚至奥运会和世博会上也能看见它的身影。
平衡车采用清洁能源--电能作为能源，保护了环境的同时也节约了化石燃料，不需要担心给环境带来破坏。小车的速度可达到15km/h,大大节约了步行的时间。小车的安装和调配需要劳动力，提供了就业岗位，促进了当地经济增长；小车体积小，可以折叠，解决了机动车乱摆乱放的问题，扩大了公共空间；在我国有着全世界最多的人口，如果平衡车得到普及，在环境等方面聚少成多都会引起本质的变化。平衡小车的出现改变了目前出行的方式
1.2两轮自平衡小车的研究现况
1.2.1国外研究状况
1995年美国发明家狄恩.卡门创造了世界上第一辆能载人的平衡小车，技术虽然不成熟，但在平衡车的历史进程中扮演着重要的角色；2005年打破了原本固有的平衡理念，日本的村田制作所为平衡车的控制系统和机械结构的优化度做出了长远的贡献。如今由于平衡车环境无害、灵活方便等特点，广泛应用于各种社会活动，目前奥运会、世博会等大型场合中也开始运用平衡车。
1.1.2国内研究状况
我国的平衡车虽然起步晚，但是进步很大。2003年台湾大学制作出两轮平衡车的模型并对其进行简单的控制，实现了相关功能的应用。2005年哈尔滨工业大学研究出两轮自平衡小车的样机，依靠陀螺仪进行调整小车的平衡状态，再通过电机驱动小车运行。平衡车的控制部分由传感器模块监测小车状态。同时微处理器实时处理状态数据，从而由驱动模块控制电机转动来维持车体平衡。而它的操作杆可以根据使用者的身高进行调节，并且能够折叠，可更好地进行运输与存放。近年来，平衡小车引起了各大高校的关注，举办了许多有关平衡小车的设计竞赛，吸引了研究机构和相关爱好者的报名参加，提供了一个大的交流平台，推动了平衡车的发展与进步。
图2 Segway两轮自平衡小车
1.3本章小结
通过第一章的编写我大致了解了平衡小车的背景和意义，平衡车就是根据需求而产生的，他的意义可以视情况而言，小的方面只是略微改变了人们的出行方式；大的方面为环境的保护作出了不可磨灭的贡献。回顾了平衡车的历史发展，从只是能站立的大型机器演化成可用于载人的高科技交通工具。我国关于平衡车的研究虽然相比国外起步较晚，经过了不懈地努力研究差距仍有但不悬殊。只要我们保持对平衡小车研究开发的热情，总会有一天后来居上的。
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