單片機控制單軸雙輪自動平衡小車設計開題報告

1、畢業(yè)設計（論文）開題報告題目:單片機控制單軸雙輪自動平衡小車設計系別：電氣工程系專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：學號學生姓名：指導教師：2016年3月中原工學院信息商務學院畢業(yè)論文（設計）開題報告論文（設計）題目單片機控制單軸雙輪自動平衡小車姓名系別電氣工程系班業(yè)電氣121學號61選題目的和意義：平衡車是個不穩(wěn)定、強耦合、非線性系統(tǒng)，對平衡車的研究有利于我們更熟練得運用自動控制理論，并且發(fā)展更可靠穩(wěn)定的控制方法。在實際應用中，平衡車由于體積小,靈活方便，不管是在軍用或者民用領域都有廣闊的應用空間，兩輪自平衡小車可以作為一種小范圍的移動式服務平臺。通過本課題的研究學習，會使自己更加了解單片機，熟悉

2、電子電路，提升自己的對整個設計的把握，更透徹的掌握自動控制方法。2本選題在國內外的研究狀況及發(fā)展趨勢：國外方面:JOE是瑞士研制的用DSP和FPGA控制并基于倒立擺理論雙輪車。通過傾斜傳感器和傾角傳感器來檢測車體。通過電機上的編碼盤檢測電機的速度。采用了基于狀態(tài)反饋的線性控制策略，車的運動被分解成直線和旋轉運動，然后分析直線運動和旋轉運動，得到電機需要的控制量，最終把控制量耦合疊加。他主要的設計思想依然是：使車子朝車體傾斜的方向運動來保持車身的平衡。主控芯片是HC11微處理器，此處理器是DavidP.Anderson專門的針對nBot車設計的。傳感器在得到車的車身信息后，再比例整合，當作模糊控

3、制器的輸入，按照之前設定的控制原則得到兩個電機需要的PWM電壓。該控制只能能讓小車平衡運動，而不能讓小車自主直立。Segway擁有更多的姿態(tài)傳感器，它有5個陀螺儀傳感器，然而事實是檢測車身前傾斜只需要3個傳感器就夠了，其他的兩個傳感器只是增加安全性。傳感器的信息會被傳送到一個電路板，這個電路板是微處理器的集群，效率是個人電腦的三倍。這個集群是為了保證本載人平衡車在其中任何一個處理器出現(xiàn)問題時能報告錯誤，給駕駛者以處理問題的時間余量，保證了平衡車的安全性。國內方面：哈工大尹亮制作的雙輪移動車Sway，車身傾斜度米用AD推出的雙軸加速度傳感器ADXL202及反射式紅外線距離傳感器來獲得。基于PWM

4、動態(tài)控制直流電機的速度。車與上位機間的數據通信使用PTR2000超小型超低功耗高速無線收發(fā)數傳MODEM。人機交互界面使用圖形液晶點陣、方向搖桿、按鍵。依靠這些可靠并且完備的硬件，使用獨特的軟件算法，最終實現(xiàn)Sway的數據交換和平衡直立控制。上海交通大學的孔祥宣于2007年研制了一輛自主式雙輪動態(tài)平衡移動機器人，。它由機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)兩個部分。機械部分包括：兩輪、減速機構、底盤、高速轉子、本體、框架等,負責實現(xiàn)機器人的機構功能、承載硬件電路、搭建工作平臺；控制系統(tǒng)部分包括：電機、驅動器、傳感器。機器人的控制器采用DSP與CPLD高度集成的SoB(SystemonBoard)系統(tǒng)，雙輪動態(tài)平衡

5、車的特點是有一個高速自轉的轉子。發(fā)展趨勢：平衡車正在朝著越來越智能化的方向的發(fā)展，已經提出了眾多的解決平衡控制的方案。未來平衡車必將越來越小巧輕便，配備更完善的人機交互介面。另外，兩輪自平衡車的應用前景將會十分的廣泛，未來的目標是制造出外形結構簡潔，并且具有穩(wěn)定自平衡性能的平衡車，還能有方便的駕駛模式，必將方便大家的出行。3主要研究內容：小車的硬件設計：設計最終使用STM32F103C8T6，讀取mpu6050的數據時通過IIC接口，獲得小車的姿態(tài)，接下來的過程是主控芯片通過PID控制給電機輸出PWM控制信號，電機驅動模塊芯片TB6612接受到PWM信號之后再完成對電機的控制i。另外，為了調試

6、方便，除了設計了上述給模塊外，還擴展了JLINK接口，使用的是SWD模式，用于仿真調試。因為需要記錄數據和繪出數據波形，查看濾波和PID效果。所以擴展了串口電路?？刂葡到y(tǒng)的設計：整個控制過程分為以下幾步，第一步，主控芯片STM32首先采集姿態(tài)傳感器MPU6050的數據，經過卡爾曼濾波，就得到了車身的姿態(tài)信息，第二步，根據此角度做PID調節(jié)，得到小車兩個電機的PWM脈寬，再調整輪子速度，使它的俯仰角為零。之后就是重復采集、處理、調節(jié)、處理這一過程。然后，在這個基礎上，給兩電機加PWM值，就會實現(xiàn)小車的前進，倒退。軟件設計流程是：首先單片機初始化，在獲取車身姿態(tài)數據，經過卡爾曼ii融合算法，PID

7、控制完成小車直立速度控制。主要算法：PID控制算法：這里首先形象的分別說明一下P、I、D控制的區(qū)別，以利于我們建立起感性認識P為比例控制，使以最快的速度達到目標。I為積分控制，使誤差為0而起調和作用。D為微分控制，可以加快調節(jié)進程。PID控制算法是應用最為普遍的一種算法，其特點是構造簡單，應用有效及具備了許多成熟的穩(wěn)定性分析的方法，有很高的可靠性。針對兩輪自平衡小車的非線性和不穩(wěn)定性，利用非線性PD控制算法和PID差動結構可以實現(xiàn)小車的平衡控制和運動控制；卡爾曼濾波：姿態(tài)檢測系統(tǒng)中的重點必然又是卡爾曼濾波。為了方便調試，小車經串口向PC機發(fā)濾波前后傾角數據，通離散的數據點描繪可以直接對比濾波效

8、果?？柭鼮V波整定參數有：卡爾曼增益、加速度計和陀螺儀權值。經過濾波之后，含有噪聲的波形變得平穩(wěn)。4完成論文的條件、方法及措施，包括實驗設計、調研計劃、資料收集、參考文獻等內容:條件方法和措施：小車的最初設計方案比較；設計單片機最小系統(tǒng)電路原理圖;對小車單片機最小系統(tǒng)STM32進行最初的使用練習，例如簡單地點亮LED燈、定時器初始化、數碼管顯示等；進行整個系統(tǒng)的整體工作原理的細致分析，建立設計思路，設計總體方案，硬件工作原理分析，各元器件引腳功能資料收集，主程序設計；學習本設計涉及到的主要算法包括PID控制算法；卡爾曼濾波，可以參考原來已有的單片機控制單軸雙輪自動平衡小車PID參數設定方法和經

9、驗。實驗設計：整個設計流程以STM32單片機為核心，選用了與該主控芯片相融和的其他幾個必要的模塊。姿態(tài)傳感器模塊電路測算小車車身姿態(tài)信息、并把信息提供給主控芯片STM32。主控芯片STM32是整個小車模型的大腦，在接收到小車車身信息之后，與預先設定車身平衡數據進行比較，計算出小車需要調整的余量，轉化成PWMiii控制信號，輸出給電機驅動電路模塊，電機驅動模塊在接收到PWM信號之后再完成對電機的控制，電機上的編碼器測速模塊采集到電機速度信息，再把信息反饋給主控芯片STM32。重復這樣一個過程，完成車模的直立平衡控制、直立運動控制iv，依靠藍牙模塊發(fā)送對整個小車的運動控制命令。選用基于ARM的ST

10、M32F10X系列單片機，這是一系列功能更強大的數據處理能力更強的主控芯片，必將會為之后平衡車的功能拓展提供方便。整個設計采用模塊化的思想，這也正好切合了設計之初的想法，為實現(xiàn)小車更多功能的擴展提供方便。隨著課題研究的深入，還會遇到更多更大的困難，在將來的學習中，帶著這些問題和困難查閱各種資料，并向有經驗的老師和同學求教，爭取早日解決，以更好的完成對本課題的設計工作。調研計劃：第1-2周：文獻查找，主要是建立平衡車系統(tǒng)總體方案設計的雛形；第3-5周;確定主要硬件電路各部件的選型，以及總體方案的設計；第6-8周：硬件電路設計及部分電路制作；第9-11周：編寫系統(tǒng)控制程序及進行初步的系統(tǒng)調試；第1

11、2-15周：總結整個設計過程中的不足之處，完成設計報告。參考文獻1 王曉宇.兩輪自平衡機器人的研究D.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,20072 GoogolTechnologyLTD.GoogolTechnologySelf-BalancingRobotGBOT1001UserManualV1.0CD.20073 Tony,Liao,Deog.VariableStruetureControlforStabilizingDoubleInvertedPendulumC.2008InternationalConferenceonIntelligentComputationTechnologyandAuto

12、mation,California,US,20014 陳國文基于STM32單片機的雙輪小車近靜態(tài)動平衡控制統(tǒng)D.閩南師范大學畢業(yè)論文設計.20145 阮毅，陳伯時.電力拖自動控制系統(tǒng)M.清華大學出版社.20036 爾桂花，竇曰軒.運動控制系統(tǒng)M.清華大學出版社.20027 劉金琨智能控制M.北京：電子工業(yè)出版社.20058 梅曉榕.自動控制元件及線路M.哈爾濱工業(yè)大學出版社.20049 Jey,Tiga.DesignofFuzzyLogicControllerforTwo-wheeledSelf-balancingRobotC.6thInternationalForumonStrategicT

13、echnology,IFOST2011,Newyork,US,2011:12661270.200810 高玉培輪式移動機器人的結構設計J.南昌航空大學學報.201411 張培仁基于16/32位處理器機器人控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)M.北京:清華大學出版社，200612 屠運武，徐俊艷，張培仁.自平衡控制系統(tǒng)的建模與仿真J.系統(tǒng)仿真學報.200413 劉斌.兩輪自平衡小車軟硬件研發(fā)與基于模糊線性化模型的變結構控制研究西安電子科技大學工學碩士學位論文.200914 付夢印,鄧志紅,張繼偉.Kalman濾波理論及其在慣性導航系統(tǒng)中的應用M.第二版北京:科學出版社,201015 譚浩強.C程序設計M.北京:清華大學出版社,200516 李春文，馮元坤，多變量非線性控制的你系統(tǒng)方法M