两轮自平衡小车毕业设计毕业论文

论文题目：基于STM32单片机的两轮平衡车设计摘要本文主要讲述了如何使用微控制器STM32F103C8T6实现控制两个直流步进电机使平衡车能够达到平衡状态且可用手机蓝牙遥控。

本文首先对毕业设计进行方案的论证和选择。

本设计选择了ST公司的STM32F1系列单片机作主控MCU，采用编码直流无刷步进电机，TB6612FNG芯片作步进电机驱动，姿态传感器MPU6050作陀螺仪，0.96寸OLED液晶屏作显示屏，蓝牙模块作为特殊的通信串口与手机APP进行通信，锂电池电源在直流稳压后提供各个模块的所需的工作电压，使平衡车能够直立平衡。

然后本文介绍了STM32和系统的硬件电路设计方案，对直流稳压电路、姿态传感器、步进电机、OLED屏显示电路、驱动电路设计进行分析介绍，对STM32系统的设计流程、卡尔曼滤波算法及PID算法（步进电机控制算法）的原理和实现进行详细的说明，进行上位机程序的调试和工作的逻辑进行讲解。

最后本文讲述了毕业设计的机械安装与整机性能测试部分。

本设计在机械安装全部完成后，对上位机和通电后实际情况进行性能测试，通过观察数据和现象来判断平衡车系统的性能效果，在不同状态和场合下测试平衡车的抗干扰以及运动能力。

关键词：STM32，平衡，步进电机，互补滤波，PIDAbstractThis paper mainly describes how to use the microcontroller STM32F103C8T6 to realize the control of two dc stepper motors so that the balance car can reach the balance state and the bluetooth remote control of mobile phones.This article first carries on the demonstration and the choice to the graduation project project. This design chose the ST's STM32F1 series single chip microcomputer as main control MCU, using encoding brushless dc stepper motor, TB6612FNG chip for step motor drive, position sensors MPU6050 gyroscope, 0.96 inch OLED display LCD screen, bluetooth module as a special communication serial communication with the phone APP, lithium battery power after the dc voltage to provide various modules of the working voltage, you need to make balance of the car can upright balance.Then this paper introduces the STM32 and system design of hardware circuit, the dc voltage circuit, posture sensor, stepper motor, OLED display circuit, drive circuit design analysis is introduced, design process of the STM32 system, kalman filtering algorithm and PID algorithm (stepper motor control algorithm) of detail, the principle and implement of PC logic of the program debugging and work.Finally, this paper describes the graduation design of mechanical installation and machine performance testing part. After the mechanical installation is completed, the design tests the performance of the upper computer and the actual situation after electrification, judges the performance effect of the balance car system by observing data and phenomena, and tests the anti-interference and movement ability of the balance car in different states and occasions.Key words:STM32, Balance, Stepper motor, Complementary filter, PI目录摘要 (Ⅰ)Abstract (Ⅱ)第一章绪论 (1)1.1平衡技术的发展 (1)1.2 设计意义和应用背景 (1)1.2.1设计意义 (1)1.2.2 应用背景 (2)1.3主要工作及结构安排 (2)第二章系统方案设计 (3)2.1平衡原理 (3)2.2平衡小车的性能要求 (4)2.3系统总体设计框图 (4)2.4系统方案论证及选型 (5)2.4.1主控芯片MCU的选型 (5)2.4.2直流步进电机的选型 (5)2.4.3电机驱动的选型 (5)2.4.4解姿态算法的选型 (6)2.5本章小结 (6)第三章系统硬件设计 (7)3.1 STM32C8T6的核心板 (7)3.1.1 STM32最小系统 (8)3.1.2启动模式BOOT[1:0] (9)3.1.3 USB转TTL电路 (9)3.1.4 SWD接口 (11)3.2直流稳压电路 ....................................................................................... 错误!未定义书签。

学号：24101901695南湖学院毕业论文（设计）题目：两轮自平衡小车的电动减速轮设计作者lxxxx 届别xxx 系别xxxx 专业xxx 指导老师xxxx 职称xxx 完成时间xxxxx摘要两轮自平衡机器人与两轮自平衡电动车都属于两轮自平衡系统的范畴。

两轮自平衡小车是一种可靠、便捷、环保的短途运输交通工具，它占地面积小，通过路面的能力强，并且非常灵活，适用于场馆、机场等地。

近年来国内外对两轮自平衡机器人的控制研究较多，但针对其机械结构的研究却较少，尤其是对两轮自平衡电动车的研究更是少之又少。

本文总结了国内外相关领域的研究成果，对两轮自平衡电动车的减速轮进行了机械设计，选择了各零部件合适的材料，绘制了减速轮的零件图和装配图，并对轴承进行了强度校核。

关键词：两轮自平衡；减速轮；机械设计；Pro/EAbstractBoth the two-wheeled self-balancing electric vehicle and the two-wheeled self-balancing robot belong to the two-wheeled self-balancing system .Since the two-wheeled self-balancing electric vehicle is a kind of reliable and convenient, environmental protection and short-distance transportation vehicles, it covers an area of small, it has the ability to through the pavement, and it is very flexible , and it is applicable to the venue, airport, etc. In recent years studies of the two- wheeled self-balancing robot are too numerous to mention，and most of them focus on the control but not the structure. After having summarized the research results of the field，this thesis designed the two- wheeled self-balancing electric vehicle gear wheel’s mechanical design, choose various spare parts suitable materials, draws the part drawing and the assembly drawing about the gear wheel, and the bearing force respectively.Key words: two- wheeled self-balancing；gear wheel;mechanical design；Pro/E目录第一章绪论 (1)1.1 本论文研究背景 (1)1.2 国内外研究现状 (1)1.2.1 国外研究现状 (1)1.2.2 国内研究现状 (5)1.3 两轮自平衡机器人的研究意义 (6)第二章两轮自平衡系统的平衡原理 (7)第三章两轮自平衡电动车结构的分析 (9)3.1 总体方案分析 (9)3.2 确定减速轮的设计方案 (11)3.2.1 一般自行车电动减速轮结构方案设计 (11)3.2.2 自平衡电动车减速轮整体结构设计 (12)第四章电动减速轮的设计 (15)4.1 Pro/E的介绍 (15)4.2 电机的选择 (15)4.3 轮轴的设计 (16)4.3.1 轴的概述 (16)4.3.2 轴的结构设计 (16)4.3.3 轴的具体装配设计 (17)4.4 减速器设计 (18)4.4.1 减速比的确认 (18)4.4.2 各齿轮参数的确认 (19)4.5 惰轮架设计 (21)4.6 车轮(轮壳)设计 (21)4.7 轴承的选择、定位 (23)4.7.1 轴承的介绍 (23)4.7.2 轴承的选择 (23)4.8 车轮装配体 (24)4.9 减速轮轴承的校核 (25)4.9.1 内侧轴承校核 (25)4.9.2 惰轮轴承寿命校核 (26)第五章全文总结 (30)参考文献 (31)致谢 (32)第一章绪论1.1 本论文研究背景自20 世纪 60 年代人类研制出第一台机器人以来，机器人技术就显示出了强大的新生力，在将近 50 年的时间里，机器人技术得到了飞速的发展[1]。

闽南师范大学毕业论文（设计）基于STM32单片机的双轮小车近静态动平衡控制统The Design of The Nearly Static Dynamic Balance Two Wheeled Car Control System Based on TheSTM32姓名：陈国文学号：1105000232系别：物理与电子信息工程学院专业：电气工程及其自动化年级：2011级指导教师：李忆2014年12 月28 日摘要本文介绍以STM32F103RCT6单片机为核心的智能自平衡小车技术的研究，本系统分为单片机最小系统，PID自动反馈调节，驱动控制电路。

通过MPU-6050传感器采集到姿态感知信号传给STM32F103RCT6单片机，经单片机PID反馈调节，发出命令控制驱动模块L298N，驱动2台直流电动机进行相应的动作，最终使得小车能够平稳站立。

为了提高平衡效果，本文引入了卡尔曼滤波器，在调试中应注意初始角度的矫正和PID的参数调节。

本设计现能实现小车在正负2度内平衡，时超超过4S，在小车的控制方面还有待改进。

关键词：STM32F103RCT6单片机姿态检测卡尔曼滤波 PID控制电机驱动AbstractIn this paper, we introduce STM32F103RCT6 single-chip microcomputer as the core of intelligent since the balance of the car technology research, this system is divided into single chip microcomputer minimum system, PID automatic feedback adjustment, the drive control circuit. By MPU - 6050 sensor collected posture perception to STM32F103RCT6 MCU signals, the microcontroller PID feedback control, a command control L298N drive module, drive two dc motor for the corresponding action, eventually making the car can stand steadily.In order to improve the effect of equilibrium, this paper introduced the Calman filter, in needing attention in debugging the parameters initial angle correction and PID regulation. This design is to achieve car in the positive and negative balance within 2 degrees, super than 4S, in control of the car has to require improvement.KeyWord: STM32F103RCT6 single-chip microcomputer Posture perception Kalman filter PID controller motor drive目录中英文摘要 (I)1 引言 (1)1.1 选题背景及实际意义 (1)2 整体方案设计 (1)2.1系统整体设计 (1)2.2姿态检测模块选型方案比较 (2)2.3项目设计要求 (2)2.4平衡小车的总体框图 (2)3 各单元模块的硬件设计 (3)3.1 STM32F103RCT6单片机系统 (3)3.2 稳压模块选型 (3)3.3 姿态检测模块 (4)3.3.1加速度计模块 (5)3.3.2陀螺仪模块 (7)3.4 电机驱动模块选型 (7)3.5电机选型 (8)3.6 电路接线表 (9)3.6.1电源接口解析 (9)3.6.2器件I/O口连接表 (9)4 理论分析与计算 (10)4.1 自平衡小车数学模型 (10)4.2 PID控制器设计 (11)4.2.1 PID控制器原理 (11)4.2.2 PID控制器设计 (11)4.3基于卡尔曼滤波的数据融合 (12)4.4 本章小结 (14)5 系统软件设计 (15)5.1软件系统总体结构 (15)5.2单片机初始化软件设计 (15)5.3姿态检测系统调试 (15)5.3.1角度矫正 (15)5.3.2卡尔曼滤波调试 (16)5.3.3控制系统PID参数整定 (18)6 系统测试 (19)6.1 平衡度测试 (19)6.2站立时间测试 (20)7 器件清单 (20)7.1元器件清单 (20)7.2平衡小车实物图 (21)8 总结与展望 (21)8.1 总结 (21)8.2 展望 (22)参考文献 (22)附录 (i)致谢 (vii)1 引言两轮自平衡小车是一种特殊轮式移动机器人，其动力学系统具有多变量、非线性、强耦合、参数不确定等特性。

www�ele169�com | 5电子科技0 引言2002年，美国发明家狄恩·卡门（Dean Kamen）与他的DEKA 研发公司（DEKA Research and Development Corp.）团队设计发明，并创立了赛格威责任有限公司（Segway LLC），随即推出了Segway HT 两轮直立自平衡电动车，其所具有的高机动性，强适应力，结构简单易上手等特点，鉴于上述优势，两轮自平衡车的应用前景十分广泛，切实将平衡车应用到交通行业当中。

两轮自平衡车运作原理基于一种 “动态稳定”（DynamicStabilization）的方法原理之上，也就是小车自身的稳定调节能力。

内部集成姿态感知模块（Solid-StateGyroscopes）来判断车身所处的姿势状态，通过高性能微处理器计算出对应输出指令后，控制电机转动来达到平衡调节效果。

本文针对该系统的平衡控制问题，结合实际软硬件环境进行仿真输出，实现了小车的自平衡。

1 平衡原理分析运动平衡控制是研究两轮自平衡小车的关键技术之一，将其可拆解为两个方面：姿态平衡控制和运动轨迹控制。

举一个简单的例子：人们通过两个条件可以让木棒在手指尖上保持直立：（1）托着木棒的手掌可以移动；（2）眼睛可以观察到木棒的倾斜角度（姿态）和倾斜趋势（角速度）。

通过指尖随动来消除木棒的倾斜的趋势，从而保持木棒的直立。

这个过程中实际上就是控制中的负反馈机制。

车模平衡控制也是通过负反馈来实现的，与上面保持木棒直立比较则相对简单。

因为车模有两个轮子着地，车体只会在轮子滚动的方向上发生倾斜。

控制轮子转动，抵消在一个维度上。

2 硬件设计■2.1 结构设计小车采用两轮同轴三层叠式结构，将电机及编码器置于层叠版下方，这样的结构设计有助于让小车整体重心下移，便于平衡控制；同时增加了硬件放置的地方，可以将主控制器、电机控制器、姿态感知等模块置于第一层，电池及其他相关组件置于第二层，蓝牙，声波模块等外设模块置于第三层，加强了小车整体的结构紧固性的同时，丰富了了小车的后期扩展性，结构框图如图1所示。

浅论小型两轮自平衡电动车系统的设计与研究论文浅论小型两轮自平衡电动车系统的设计与研究论文小型两轮自平衡电动车控制方案，是使用姿态检测传感器来检测小车姿态的变化，运用合适的运动控制原理，驱动电机进行相应的调整，以保持小车平衡、但在实际设计中，加速度计检测出来的数据易受小车运动速度影响，陀螺仪检测出来的数据易受温度影响，因此需要采用滤波器对其进行滤波、通过对卡尔曼滤波器与互补滤波器这两种不同的滤波器进行比较，在基于飞思卡尔公司Kinetis K60的小型两轮自平衡电动车姿态稳定系统上加以验证，从而得出在实际设计中卡尔曼滤波器优于互补滤波器。

1控制系统分析与设计1.1系统分析小型两轮自平衡电动车系统主要由姿态传感器,CMOS摄像头传感器、矢量光电编码器,Kinetis K60单片机、直流减速电泪L及其驱动电路组成。

陀螺仪与加速度计的数据经过AD转换后传至控制器中，通过滤波器进行滤波后，获得较为精确的角速度和角加速度数据，从而计算得到角度偏差;摄像头采集道路信息，进行路径识别，使小车沿一定路径J决速运行光电编码器采集车轮速度，通过负反馈控制小车速度，三者数据融合后，再通过PID算法输出控制量，生成PWM从而控制电机运行。

1.2矢量编码器小车进行角度姿态控制时会产生两个自由度上的偏移，除用测量角度的加速度计和陀螺仪外，还需要增加测量两轮车位移的传感器，这里选用可以测量正负位移的欧姆龙500线矢量编码器(A日相光电编码器)。

2角度滤波算法分析从加速度计采集到的角度信息存在高频干扰，输出电压，矢量编码器控制电路会在实际反映倾角的电压值附近波动、要从陀螺仪获得角度信息，需要经过积分运算，而从单片机采集的角速度信息存在误差和温度偏移、这个误差会随时间延长而积累，最终导致输出信号偏离真实角度信号、因此，下面介绍两种滤波法，对两种传感器所获得信息进行校正。

2.1互补滤波器通过加速度计和陀螺仪积分获得的`两种与角度相关的信息，利用加速度计修正陀螺仪的积分输出，利用陀螺仪修正加速度计的高频干扰。

两轮自平衡小车的设计与实现一、本文概述随着科技的飞速发展，智能化、自主化已经成为现代机器人技术的重要发展方向。

两轮自平衡小车作为一种典型的动态稳定控制机器人，其设计与实现技术对于推动机器人技术的进步具有重要意义。

本文旨在深入探讨两轮自平衡小车的设计理念、实现方法以及关键技术，为相关领域的研究者和爱好者提供有益的参考。

本文将首先介绍两轮自平衡小车的基本概念和原理，阐述其动态稳定控制的基本思想。

随后，将详细介绍两轮自平衡小车的硬件设计，包括电机驱动、传感器选型、控制器设计等关键部分，并阐述各部件之间的协同工作原理。

在此基础上，本文将重点探讨两轮自平衡小车的软件实现，包括平衡控制算法、运动控制算法以及人机交互界面设计等。

本文还将对两轮自平衡小车的性能优化和实际应用进行深入分析，探讨如何提高其稳定性、响应速度以及续航能力等问题。

本文将对两轮自平衡小车的发展趋势和前景进行展望，为相关领域的研究和发展提供有益的参考。

通过本文的阐述，读者可以全面了解两轮自平衡小车的设计与实现过程，掌握其关键技术和应用方法，为推动机器人技术的发展做出贡献。

二、两轮自平衡小车的基本原理两轮自平衡小车，又称作双轮自稳车或双轮倒立摆，是一种基于动态稳定技术设计的个人交通工具。

其基本原理主要涉及到力学、控制理论以及传感器技术。

两轮自平衡小车的稳定性主要依赖于其独特的力学结构。

与传统三轮或四轮的设计不同，双轮自平衡小车只有两个支撑点，这意味着它必须通过动态调整自身姿态来维持稳定。

这种动态调整的过程类似于杂技演员走钢丝，需要精确的平衡和快速的反应。

实现自平衡的关键在于控制理论的应用。

两轮自平衡小车通常搭载有先进的控制系统，该系统通过传感器实时监测小车的姿态（如倾斜角度、加速度等），并根据这些信息计算出必要的调整量。

控制系统随后会向电机发送指令，调整小车的运动状态，以保持平衡。

传感器在两轮自平衡小车中扮演着至关重要的角色。

常见的传感器包括陀螺仪、加速度计和角度传感器等。

毕业设计（论文）
题目两轮平衡车的设计
系（院）机电工程系
专业机械设计制造及其自动化
学号
指导教师
职称
二〇一四年六月二十日
独创声明
本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。

据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:
二〇一二年月日
毕业设计（论文）使用授权声明
本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。

本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。

（保密论文在解密后遵守此规定）
作者签名:
二〇一二年月。

两轮自平衡小车毕业设计04161120(总24页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除两轮自平衡小车的设计摘要最近这几年来，自平衡电动车的研发与商用获得了快速发展。

自平衡车具有体积小，运动十分灵活，便利，节能等特点。

本文提出了一种双轮自平衡小车的设计方案，机械结构采用了双轮双马达驱动；控制主要采用的是反馈调节，为了使车体更好的平衡，使用了PID调节方式；硬件上采用陀螺仪GY521 MPU-6050来采集车体的旋转角度以及旋转角加速度，同时采用了加速度传感器来间接测量车体旋转角度。

采用意法半导体ST 公司的低功耗控制器芯片stm32作为主控，采集上述传感器信息进行滤波，分析等操作后进而控制马达的驱动，从而达到反馈调节的闭环，实现小车的自动平衡。

系统设计，调试完成后，能够实现各个功能部件之间协调工作，在适度的干扰情形下仍然能够保持平衡。

同时，也可以使用手机上的APP通过蓝牙与小车通信控制小车的前进和后退以及转弯。

关键词：自平衡小车陀螺仪传感器滤波 APPDesign of Two-Wheel Self-Balance VehicleAbstractIn the last few years, with 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 presents 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; hardware using gyroscope GY521 mpu-6050 to collect the rotation angle of the car body and the rotation angle acceleration. At the same time, acceleration sensor to measure indirectly body rotation angle. St, the low power consumption controller STM32 chip used as the main control, collecting the sensor information filtering, analysis backward and control motor drive, so as to achieve close loop feedback regulation, the realization of the car automatic balance. System design, debugging is completed, the coordination between the various functional components can be achieved, in the case of moderate interference can still maintain a balance. At the same time, you can also use the APP on the mobile phone with the car to control the car's forward and backward and turning.Key Words: Self balancing car gyroscope sensor filter APP目录1.绪论 0研究背景与意义 0自平衡小车的设计要点 0整体构思 0姿态检测系统 0控制算法 (1)本文主要研究目标与内容 (1)论文章节安排............................................... 错误!未定义书签。

本科毕业设计题目两轮自平衡小车研究学院电子信息工程学院专业自动化学生姓名刘长根学号 200910311332 年级 2009级指导教师罗浚溢职称博士年月日两轮自平衡小车研究专业：自动化学号：200910311332学生：刘长根指导教师：罗浚溢摘要：现在两轮自平衡小车的研究在全世界得到很大的关注。

本论文主要工作是对两轮自平衡小车的原理进行研究并且和提出一种设计方案。

本次设计方案是采用ENC-03MB陀螺仪传感器和MMA7361LC 三轴加速度倾角传感器构成小车的状态检测装置，使用算法使陀螺仪数据和加速度计数据的融合得到小车的倾角，再通过一定的算法使小车保持直立状态。

系统采用飞思卡尔公司的DSC 16位处理器XS128单片机为核心控制处理器，完成传感器信号的处理，滤波算法的实现和车身控制等一些任务。

在小车制作完成后，各个模块之间能够正常并且协调的工作，小车可以只无人干预的条件下实现自主平衡，运用手机蓝牙可以控制小车的前进、后退、左右转动等各个动作。

关键词：两轮自平衡小车；陀螺仪；加速度倾角传感器；XS128单片机Research of The Two-wheel Self-balance Car Specialty：Automation Student Number：200910311332Student：Liu Changgen Supervisor：Luo JunyiAbstract:Now ，the research of two-wheel self-balance car get great attention all over the world.The main job of this paper is to study the principle of the two-wheel self-balance car and put forward a design scheme.This design used ENC-03MB gyroscope sensor and MMA7361LC triaxial acceleration and angle sensor constitute the car status detection ing algorithms made fusion of gyroscope data and accelerometer data to get the tilt angle of the car.Then ,through a certain algorithm to make the car keep upright.The system adopted freescale company DSC 16-bit processor XS128 single-chip microcomputer as the control core,it realized the sensor signal processing the sensor signal processing,filtering algorithm and body control and so on.After the car production is completed,each module can be normal and to coordinate work,the car can keep balancing in unmanned ing mobile phone Bluetooth can control the car forward,backward,turn right or left,and other actions.Key words：Two-wheel Self-balance Car ；Gyroscope；Angle Acceleration Sensor；XS128 Single Chip Microcomputer目录第1章绪论 (1)1.1 背景 (1)1.2 选题的目的和意义 (1)1.3两轮自平衡小车的国内外研究现状 (2)1.3.1 两轮自平衡小车在国外的研究现状 (2)1.3.2 两轮自平衡小车在国内的研究现状 (4)1.4 主要的研究内容 (5)第2章两轮自平衡小车的原理 (6)2.1 两轮自平衡小车直立运动分析 (6)2.2 小车的平衡控制 (6)2.3 小车的角度和角速度测量 (8)2.3.1 加速度传感器 (8)2.3.2 陀螺仪 (8)2.4 小车的速度控制 (9)第3章两轮自平衡小车的电路和程序设计 (10)3.1 两轮自平衡小车电路设计 (10)3.1.1 小车的整体电路框图 (10)3.1.2 单片机最小系统 (11)3.1.3 陀螺仪和加速度计传感器电路 (11)3.1.4 电机驱动电路 (12)3.1.5 电源模块电路 (13)3.2 两轮自平衡小车程序设计 (13)3.2.1 程序的功能和流程框架 (13)3.2.2 各个模块的程序 (15)第4章两轮自平衡小车的制作和调试 (33)4.1 小车的承载部分制作 (33)4.2 小车传感器的安装 (33)4.3 小车的调试 (34)4.3.1 小车调试条件 (34)4.3.2 小车调试 (34)4.3.3 参数调试 (35)第5章结论 (36)附录 (37)附录1 电路原理图 (37)附录2电路PCB图 (37)附录3 小车直立图片 (38)参考文献 (39)致谢 (40)第1章绪论1.1 背景近年来，随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，所面临的环境和任务也越来越复杂。

摘要近年来，两轮自平衡机器人的研究取得了快速的发展，两轮自平衡小车的动力学系统是一种多变量、非线性、强耦合的系统，是检验各种控制方法的典型装置。

同时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，必将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。

本文主要介绍了基于Freescale MC9S12XS128单片机为控制核心的两轮自平衡小车系统，以验证经典的PID控制在动态平衡系统上的控制效果。

在该系统上，姿态传感器采用MPU6050，单片机在采集到姿态数据后，采用Kalman滤波器对得到的数据进行融合，并在此基础上分析不同滤波方法的效果。

借助增量式PID控制PWM的输出和利用TB6612FNG控制电机的转向以及转速，从而实现了小车的自平衡控制。

关键词：两轮自平衡系统； Kalman滤波；数据融合； HCS12； MPU6050 .Design and implementation of two-wheeled self-balancing vehicleAbstractIn recently years, the research of two-wheeled self-balancing robot has made a rapid development, the dynamics system of two-wheeled self-balancing vehicle is a multivariable, nonlinear, strong coupling system, and also ，it’s a typical devices to test a variety of control methods. Because of it has a small, flexible movement and zero turning radius. It will have a wide range of applications in military and civilian fields.In the article, it describes the Freescale MC9S12XS128 microcontroller-based control of two-wheeled self-balancing vehicle system to verify the classic PID control system in the dynamic balance . On this system, It used MPU6050 as the car state sensing system, and it used the Kalman filter to fuse the obtained angle data, and analyzed the effect of different filtering methods based on this. With incremental PID control PWM output and use TB6612FNG steering and speed control motors, enabling the car's self-balance control finally.Keywords: two-wheeled self-balancing system; the Kalman filter;HCS12;MPU6050目录摘要 (1)第1章绪论 (4)1.1 两轮自平衡机器人概述 (4)1.2 两轮自平衡机器人的发展 (4)1.3 方案论证及选择 (5)1.4 关键技术及目标 (6)1.4.1 姿态数据处理 (6)1.4.2 控制算法的实现 (7)1.4.3 目标 (7)第2章两轮自平衡小车的原理 (8)2.1 小车的直立控制 (8)2.2 倾角与角速度的测量 (12)2.3 本章小结 (12)第3章电路设计 (13)3.1 整体电路框图 (13)3.2 电源电路 (14)3.3 单片机最小系统 (15)3.3.1 S12单片机简介 (15)3.3.2 MC9S12XS128最小系统电路 (15)3.4 MPU6050 (16)3.4.1 MPU6050简介 (16)3.4.2 I2C通信 (17)3.5 电机驱动电路 (17)3.5.1 驱动芯片介绍 (17)3.5.2 驱动电路设计 (18)3.6 速度传感器电路 (19)3.6.1 光电编码器介绍 (19)3.7 无线遥控电路 (19)3.7.1 Pt2262简介 (19)3.7.2 Pt2262应用 (20)3.8 液晶显示电路 (21)3.8.1 LCD1602简介 (21)3.8.2 LCD1602电路 (21)3.9 车模控制电路全图 (22)3.10 本章小结 (24)第4章系统软件设计 (25)4.1 控制算法介绍 (25)4.2 S12单片机初始化 (26)4.2.1 锁相环初始化 (26)4.2.2 PWM模块初始化 (26)4.2.3 串行通信初始化 (26)4.2.4 外部中断初始化 (27)4.3 PID控制的实现 (27)4.4 姿态数据处理 (27)4.4.1 角度计算函数 (27)4.4.2 滤波方法分析与选择 (27)4.5 小车的运动控制 (31)4.6 无线遥控 (31)4.7 本章小结 (31)第5章系统调试 (33)5.1 软件调试工具 (33)5.2 系统调试工具 (33)5.3 系统硬件电路调试 (33)5.4 姿态检测模块调试 (33)5.5 Kalman滤波器参数的整定 (35)5.6 PID参数的整定 (35)5.7 本章小结 (36)第6章总结 (37)6.1 总结与展望 (37)参考文献 (39)附录 (41)附录一系统主控板 (41)附录二系统核心源码 (42)致谢 (45)第1章绪论两轮自平衡系统最早可追溯到上世纪80年代，日本电气通信大学的山藤一雄教授提出的基于倒立摆原理的自动站立机器人的模型被认为是两轮自平衡小车的构思起源。

两轮自平衡电动车论文：两轮电动车自平衡控制算法的研究【中文摘要】两轮自平衡电动车是一种新型的交通工具,它与电动自行车和摩托车车轮前后排列方式不同,而是采用两轮并排固定的方式,就像一种两轮平行的机器人一样。

该系统是一种两轮左右平行布置的,像传统的倒立摆一样,本身是一个自然不稳定体,必须施加强有力的控制手段才能使之稳定。

其体积小、结构简单、运动灵活,适于在狭小和危险的空间内工作,在民用和军事上有着广泛的应用前景。

本课题旨在研制一种两轮电动车自平衡控制系统,其工作原理是系统以姿态传感器(陀螺仪、加速度计)来监测车身所处的俯仰状态和状态变化率,通过高速微控制器计算出适当数据和指令后,驱动电动机产生前进或后退的加速度来达到车体前后平衡的效果。

本文在总结和归纳国内外两轮自平衡小车的研究现状后,选用AtmeDgal16微控制器、德国冯哈勃Faulhaber带编码器空心杯减速电机2342L012、MMA226D加速度计传感器和EWTS82陀螺仪、驱动车轮、设计制作主板和电机驱动板,组装两轮自平衡电动车模型;通过C语言编写自平衡控制程序,烧录程序,实车验证所选用的控制算法可行性。

在研究过程中,本文首先通过建立动力学模型,运用拉格朗日方程来验证系统中三个自由度可否能控,并且求出控制算法中的四个K值,基于陀螺仪存在漂移的问题及加速度计的动态响应慢,对于系统的姿态检测而言,单独使用陀螺仪或者加速度计,都不能提供有效和可靠的信息来反映车体的实时状态。

本文对传感器两者所采集的数据进行了卡尔曼滤波优化处理,补偿陀螺仪的漂移误差和加速度计的动态误差,得到一个更优的倾角近似值。

基于在过程控制中,PID控制器一直是应用最为广泛的一种自动控制器,PID控制也一直是众多控制方法中应用最为普遍的控制算法,它解决了自动控制理论所要解决的最基本问题,既系统的稳定性、快速性和准确性,调节PID的参数,可实现在系统稳定的前提下,兼顾系统的带载能力和抗扰能力,同时在PID调节器中引入积分项,系统增加了一个零积点,使之成为一阶或一阶以上的系统,这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。

两轮自平衡小车的设计摘要最近这几年来，自平衡电动车的研发与商用获得了快速发展。

自平衡车具有体积小，运动十分灵活，便利，节能等特点。

本文提出了一种双轮自平衡小车的设计方案，机械结构采用了双轮双马达驱动；控制主要采用的是反馈调节，为了使车体更好的平衡，使用了PID调节方式；硬件上采用陀螺仪GY521 MPU-6050来采集车体的旋转角度以及旋转角加速度，同时采用了加速度传感器来间接测量车体旋转角度。

采用意法半导体ST公司的低功耗控制器芯片stm32作为主控，采集上述传感器信息进行滤波，分析等操作后进而控制马达的驱动，从而达到反馈调节的闭环，实现小车的自动平衡。

系统设计，调试完成后，能够实现各个功能部件之间协调工作，在适度的干扰情形下仍然能够保持平衡。

同时，也可以使用手机上的APP通过蓝牙与小车通信控制小车的前进和后退以及转弯。

关键词：自平衡小车陀螺仪传感器滤波APPDesign of Two-Wheel Self-Balance VehicleAbstractIn the last few years, with 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 presents 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; hardware using gyroscope GY521 mpu-6050 to collect the rotation angle of the car body and the rotation angle acceleration. At the same time, acceleration sensor to measure indirectly body rotation angle. St, the low power consumption controller STM32 chip used as the main control, collecting the sensor information filtering, analysis backward and control motor drive, so as to achieve close loop feedback regulation, the realization of the car automatic balance. System design, debugging is completed, the coordination between the various functional components can be achieved, in the case of moderate interference can still maintain a balance. At the same time, you can also use the APP on the mobile phone with the car to control the car's forward and backward and turning.Key Words: Self balancing car gyroscope sensor filter APP目录1.绪论 (1)1.1研究背景与意义 (1)1.2自平衡小车的设计要点 (1)1.2.1整体构思 (1)1.2.2姿态检测系统 (1)1.2.3控制算法 (2)1.3本文主要研究目标与内容 (2)1.4论文章节安排........................................................................................ 错误!未定义书签。

两轮自平衡小车角度检测软件设计毕业论文目录摘要................................................................................................... 错误！未定义书签。

Abstract........................................................................................... 错误！未定义书签。

1 概述 (1)1.1 两轮自平衡小车的研究意义 (1)1.2两轮自平衡小车的发展历程和国内外研究现状 (2)1.2.1 国外研究现状 (2)1.2.2国内研究成果 (3)1.2.3国内外研究分析总结 (4)1.3 本人所做工作 (4)2两轮自平衡小车整体设计 (6)2.1机械系统的设计 (6)2.2 控制系统的设计 (8)2.2.1主控制器模块 (9)2.2.2角度检测模块 (10)3 两轮自平衡小车常见数学模型及控制算法 (11)3.1动力学模型及其参数说明 (11)3.2控制算法的设计 (12)3.2.1平衡控制 (12)3.2.2 直行和转弯控制 (13)3.2.3小车运动的精确控制 (14)4 两轮自平衡小车角度检测的软件设计 (16)4.1 系统模块结构框图 (16)4.2主程序模块 (16)4.3 I2C总线模块 (19)4.3.1 I2C总线的概念 (19)4.3.2 I2C总线的起始和停止条件 (20)4.3.3 数据传输格式 (21)4.3.4 响应 (21)4.4 加速度传感器模块 (22)4.4.1 ADXL345概念 (22)4.4.2 ADXL345的I2C连接 (23)4.4.3 ADXL345的功耗模式 (25)4.4.4 ADXL345的初始化 (26)4.4.5 连续读出ADXL345内部加速度数据 (32)4.5 液晶显示模块 (35)4.5.1 管脚功能 (35)4.5.2 LCD1602控制指令 (36)4.5.3 LCD1602内部显示地址 (37)4.5.4各轴速度的显示 (38)4.5.5 倾角的显示 (41)5 结论 (43)参考文献 (45)附录 (46)文献综述 (58)1 概述机器人技术是一种面向未来的尖端技术，也是一项涉及通信技术、微电子技术、人工智能技术、材料科学、计算机技术、控制技术、传感器技术、通讯技术、数学方法和仿生学的多学科的综合高新技术。

2013年全国大学生电子设计竞赛两轮自平衡小车设计作者：杨魏，黄敏杰，夏俊逸2015.7.17摘要本文采用自制的两轮简易小车作为试验平台，以MEMS传感MPU6050为传感器的姿态感知系统，通过离散卡尔曼滤波器对两种传感器的数据进行滤波融合，选用32位单片机STM32F103RB为控制核心处理器，完成对数据的采集处理和车身控制，采用PID控制算法实现小车两轮自平衡。

用蓝牙控制前后运动。

实验结果验证了该系统的性能满足设计要求。

关键词：两轮自平衡；姿态感知；STM32F103RB；卡尔曼滤波；PID控制。

目录1系统方案 (1)1.1 姿态检测模块的论证与选择 (1)1.2 电机驱动模块的论证与选择 (1)2 系统硬件设计 (1)2.1 STM32F103RB 单片机系统 (2)2.1.1 STM32F103RB 单片机介绍 (2)2.1.2单片机最小系统设计 (3)2.1.3 电源管理模块设计 (4)2.2 姿态检测模块MPU-6050 (5)2.2.1 MPU-6050简介 (5)2.2.3数字运动处理器（DMP） (6)2.3速度检测模块设计 (7)2.3.1编码器介绍 (7)2.3.2 编码器电路设计 (8)2.4 电机驱动模块 (8)2.4.1 L298N简介 (8)2.4.2 L298N特点 (9)3理论分析与计算 (9)3.1 两轮平衡小车数学模型 (9)3.2 PID控制器设计 (10)3.2.1 PID控制器原理 (10)3.2.2 PID控制器设计 (11)3.2.3 PID程序 (12)3.3 基于卡尔曼滤波的数据融合 (13)4 系统软件设计 (15)4.1 系统软件设计框架 (15)4.2 资源模块初始化 (15)4.3 两轮小车姿态信息检测 (16)5测试方案与测试结果 (16)5.1测试方案 (16)5.1.1硬件连接检测 (16)5.1.2小车功能检测 (16)5.2 测试分析与结论 (16)1系统方案本系统主要由姿态检测模块、电机驱动模块、蓝牙模块、红外对管模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

基于MSP430F149单片机的两轮自平衡小车的设计与研究摘要两轮自平衡小车类似于传统的倒立摆，其本身是不稳定的，必须施加强有力的控制手段才能使之稳定，是研究各种控制方法的一个理想平台。

其工作原理是系统通过陀螺仪和加速度传感器整合出当前车身较精确的与垂直方向的偏角和小车的运行加速度，利用光电编码器测得当前运行速度。

依据运动学原理，通过微控制器计算出适当的数据，输出相应占空比的PWM波形驱动电机以适当的速度运行，从而来维持车体的平衡。

本文选用MSP430F149单片机为控制器，光电编码器来测得车体当前速度，MPU-6050测得车体的角加速度和运行加速度，并通过带有减速器的直流电机实现小车的平衡控制。

关键词：两轮自平衡小车，陀螺仪，加速度计，MSP430F149，光电编码器，PWMABSTRACTTwo-wheeled self-balancing car is similar to that of a traditional inverted pendulum, which itself is not stable whom must be exerted strong control to make .It is an ideal platform for the research of various control methods. Its working principle is through the system of gyro and acceleration sensor integrated operation of the body of vehicle acceleration accurately and the angle, measured its speed by the photoelectric encoder. Through the single-chip microprocessor to calculate the appropriate data based on kinematics, and output the corresponding PWM waveform to drive motor running at an appropriate rate in order to maintain body balance. This paper chooses MSP430F149 MCU as the controller, photoelectric encoder to measure the velocity, MPU-6050 as the gyro and acceleration sensor, and the DC motor with reducer to realize the control system of car.Keywords: gyroscope, accelerometer, MSP430F149, photoelectric encoder, PWM，self-balanced two-wheel vehicle目录2 自平衡小车自平衡设计原理 ------------------------------------------ 0自平衡小车直立控制------------------------------------------------------------------------------------------ 0自平衡小车速度控制------------------------------------------------------------------------------------------ 2 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 7 3 自平衡小车硬件电路的设计 ------------------------------------------ 7 MSP430F149单片机最小系统 ------------------------------------------------------------------------------- 7 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 MPU6050电路 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 9供电电源电路-------------------------------------------------------------------------------------------------- 10 4 自平衡小车软件分析设计 ------------------------------------------- 10系统程序结构分析 ------------------------------------------------------------------------------------------- 10 IIC通信程序设计 -------------------------------------------------------------------------------------------- 11计数程序设计-------------------------------------------------------------------------------------------------- 13 PID调节器程序设计----------------------------------------------------------------------------------------- 13卡尔曼滤波器程 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 14 5 结论 ------------------------------------------------------------- 16参考文献 ----------------------------------------------------------- 17致谢 ----------------------------------------------- 错误!未定义书签。