【正文】 1 畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 題 目 紅外遙控兩輪自平衡小車設(shè)計 2 目 錄 1 緒論 ..................................................................... 1 課題設(shè)計的背景 ....................................................... 1 課題設(shè)計的意義 ....................................................... 1 兩輪自平衡小車國內(nèi)外現(xiàn)狀 .............................................. 1 單片機(jī)簡介 ........................................................... 2 PID 算法簡 介 .......................................................... 3 2 總體設(shè)計方案 ........................................................... 4 實(shí)現(xiàn)功能 ............................................................. 4 整體設(shè)計思路 ......................................................... 4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 ......................................................... 6 3 主要原件介紹 ........................................................... 7 MSP430單片機(jī) ......................................................... 7 MSP430F149 單片機(jī) ............................................... 8 MSP430F149 單片機(jī)最小系統(tǒng) ....................................... 9 MPU6050 芯片 ..................................................... 10 L298N電機(jī)驅(qū)動芯片 ............................................... 11 4 硬件設(shè)計和系統(tǒng)軟件設(shè)計 ............................................. 13 硬件設(shè)計 ............................................................ 13 單片機(jī)核心模塊 ................................................. 13 陀螺加速度計 MPU6050 ........................................... 14 HS0038B 紅外線接收頭 ........................................... 15 L298N 驅(qū)動模塊 ................................................. 16 光電傳感測速 ................................................... 17 系統(tǒng)軟件設(shè)計 ........................................................ 17 主程序設(shè)計 .................................................... 17 紅外線接收程序 ................................................. 18 卡爾曼濾波算法 ................................................. 19 MPU6050 模塊 ................................................... 20 自平衡 PID控制算法 ............................................. 22 5 實(shí)物展示 ............................................................... 23 6 設(shè)計總結(jié) ............................................................... 24 參考文獻(xiàn) ................................................................. 25 致謝 ....................................................................... 26 3 紅外遙控兩輪自平衡小車設(shè)計 徐佳 南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，江蘇 南京 210044 摘要 ： 本次設(shè)計包含了單片機(jī)主控模塊、陀螺加速計模塊、光電傳感測速模塊、驅(qū)動模塊、紅外線接收模塊等，設(shè)計采用 MPS430 單片機(jī)作為核心，使用 GY52 陀螺儀來測量傾角和角加速度，用卡爾曼濾波和 PID 算法來對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并且調(diào)節(jié)好小車的動態(tài)平衡， 使得小車在前進(jìn)和后退的同時按照接收到的紅外信號來保持平衡。 關(guān)鍵詞 ： MSP430 單片機(jī)； 紅外線 ； PID 算法；三軸陀螺儀；卡爾曼濾波 4 Infrared remote control selfbalancing robot design Xu jia School of Information and Control, NUIST, Nanjing 210044, China Abstract:The design includes a singlechip control module, gyro accelerometer module, optical sensing speed module, driver module, infrared receiver modules, designed with MPS430 microcontroller as the core, using GY52 gyroscope to measure the angle and angular, with Kalman filtering and PID algorithms to analyze and process the data obtained, and regulate the dynamic balance of the car, so the car in forward and backward at the same time according to the received infrared signal to maintain balance. Keywords: MSP430 MCU。 infrared。 PID algorithm。 triaxial gyroscope。 Kalman filter. 1 1 緒論 課題設(shè)計的背景 近年來，兩輪自平衡小車方面的研究發(fā)展迅速，成為比較熱門的研究領(lǐng)域之一。由于目前社會發(fā)展迅速，所以現(xiàn)在要求智能小車能夠達(dá)到的要求更多，能夠在復(fù)雜的環(huán)境中很好的適應(yīng)，更加出色的完成各項任務(wù)。比如： 循跡小車是按照事先所畫的路線朝前行進(jìn)； 戶外小車要能夠在凹凸不平的路面很好的前進(jìn)； 避障小車則能夠很好的避開一切阻擋行進(jìn)的障礙。 但是有時候環(huán)境中的阻礙不可預(yù)料，如何很好的預(yù)測以及解決這些問題，是目前研究者們需要思考并且解決的問題。 課題設(shè)計的意義 本論 文所研究的課題是紅外兩輪自平衡小車，該課題的研究是機(jī)器人小車領(lǐng)域的一個向外的延伸，而且移動小車的研究和發(fā)展也同樣代表了許多領(lǐng)域技術(shù)的同步發(fā)展，其中涉及了計算機(jī)技術(shù)，軟件技術(shù)，微電子技術(shù)等很多相關(guān)領(lǐng)域，毫不夸張的說甚至可以代表一個國家的綜合實(shí)力。 紅外遙控兩輪自平衡小車其實(shí)也就是在這么一個大背景之下衍生出來的課題，它包含了動力學(xué)理論和自動控制理論，并且把它們相互結(jié)合，流程如下： 小車通過紅外接收器來讀取加速度和傾角的數(shù)值； 利用卡爾曼濾波精準(zhǔn)的計算出數(shù)值得出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速進(jìn)行積分運(yùn)算，算出電機(jī)的實(shí)際位移量 ； 然后紅外線接收頭接收到來自紅外遙控的信號； 從而產(chǎn)生一個下降沿的信號，使左右電機(jī)增減速，利用驅(qū)動電機(jī)來保持平衡。 經(jīng)過調(diào)試之后，如果成功，則小車不僅能夠通過雙輪前后移動來保持動態(tài)平衡，而且能在保持平衡的前提之下同時直立前進(jìn)。紅外遙控兩輪自平衡小車的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)本身并沒有很復(fù)雜，但是它還是很有講究的一個結(jié)構(gòu)，在價格方面很親民，而且不會占用太大的地面，操作起來也是相當(dāng)便捷，是一很好的實(shí)驗(yàn)工具。 兩輪自平衡小車國內(nèi)外現(xiàn)狀 兩輪自平衡小車自面世以來，各國研究者都表現(xiàn)出了很大的興趣，所以小車的研究也得到了長足 的發(fā)展，不單單是愛好者擁有了兩輪小車，就連實(shí)驗(yàn)室也出現(xiàn)了各式樣的小車的模型，同時很多專家學(xué)者也提出了很多關(guān)于小車平衡的方案，并且在平衡性能和運(yùn)動性能方面更加深入的作了研究。趨于完善的商品化兩輪自平衡小車可在運(yùn)輸、載人、代步等實(shí)際生活方面發(fā)揮自己的才能。種種的這一切表示這不僅是因?yàn)閮奢喿云胶庑≤囃庥^獨(dú)特新穎，而且它的造價低廉功能完善，能夠獨(dú)立完成很多較為困難的任務(wù)，因此兩輪自平衡小車同樣具有很高的商業(yè)價值，在功能完善之后可以逐漸商品化。 國外在兩輪自平衡小車研究方面有不少杰出的例子： 2 （ 1）在 1987 年，日本 某教授首次提出了兩輪小車模型項目的觀點(diǎn)。然而當(dāng)時他的觀點(diǎn)是用數(shù)字處理器來對小車的姿態(tài)變化進(jìn)行檢測，再用平行的兩輪前后轉(zhuǎn)動來維持機(jī)器的平穩(wěn)。 （ 2）在 21 世紀(jì)初期，瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的 Joe 還有另一位來自美國的學(xué)術(shù)專家的兩輪自平衡機(jī)器人逐漸出現(xiàn)在大家的眼前，這使得當(dāng)時的專家學(xué)者、小車愛好者都趨之若鶩，競相投入到該類型小車的研究中去了，在當(dāng)時引起了很大的關(guān)注熱潮。 （ 3）美國 DEKA 公司的人員狄恩?卡門研究出了能夠代步的兩輪自平衡小車，并給該車取名為賽格威，隨著后來人們的好評，該公司也將這種類型的小車市場化了。 國內(nèi)在兩輪自平衡小車研究上面也并不遜色： （ 1） 2021 年，臺灣國立中央大學(xué)里面的研究者也通過模糊控制的方法成功使得一輛兩輪小車達(dá)到了動態(tài)平衡，在當(dāng)時取得了很多人的關(guān)注。 （ 2）同年，河南科技大學(xué)研發(fā)的平衡雙輪電動機(jī)樣機(jī)，是使用了 C8051F020 單片機(jī)作為核心處理器，利用陀螺儀和傳感器來測量轉(zhuǎn)動角速度和傾角，使用一系列控制算法來得到信號經(jīng)過 D/A 來驅(qū)動電機(jī)。 （ 3） 2021 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的數(shù)名學(xué)者也開始研究兩輪自平衡機(jī)器人，該機(jī)器人的核心處理器是當(dāng)時應(yīng)用廣泛的單片機(jī) C8051，而且用到了人機(jī)交互上位的 機(jī)作，當(dāng)時對小車的車體的傾角進(jìn)行測量時也是利用的當(dāng)時先進(jìn)的反射式紅外線測距傳感器和雙軸加速度傳感器。電機(jī)的轉(zhuǎn)速則是利用 PWN 技術(shù)進(jìn)行調(diào)控，而上位機(jī)和機(jī)器人之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，這里就需要用 MODEM，而且需要其功率很小、高速的無線信號。人機(jī)交互方面則是使用液晶點(diǎn)陣、按鍵和方向遙桿。為了使得雙輪小車能夠穩(wěn)定的趨于平衡，當(dāng)時學(xué)者們還使用了自己研究的控制算法。 由于兩輪自平衡車移動迅速、無噪音、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在很多公司已經(jīng)將其商業(yè)化，很多消費(fèi)者也很樂意買一輛能夠方便代步的小車，顯然商家也是抓住了很大的機(jī)遇。 不僅如此，兩輪小車也在一些高級場合里面頻頻出現(xiàn)，漸漸在同類產(chǎn)品里面嶄露頭角。 單片機(jī)簡介 單片機(jī)是一種嵌入式的芯片，本身體積不大，能夠?qū)崿F(xiàn)微控制，是一種微型芯片。單片機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)： （ 1）集成度高 單片機(jī)本身是把能實(shí)現(xiàn)各種功能的部件集成在一塊體積不大的芯片上面，雖然體積很小，但是卻能實(shí)現(xiàn)各種功能； （ 2）結(jié)構(gòu)簡單容易懂 雖然單片機(jī)的功能很全面，能夠借助其他的原件實(shí)現(xiàn)很多別的芯片不能實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，但是它的結(jié)構(gòu)卻不是那么的復(fù)雜，如果仔細(xì)學(xué)習(xí)了解，很快就能熟練的運(yùn)用單片機(jī)，這對于新接觸的人來說是很好的； （ 3）功能方面比較豐富 單片機(jī)體積很小，結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜，但是在功能方面毫不遜色，能夠配合部件很好的完成各項指令，因此很受研究者的喜愛； 3 （ 4）很高的可靠性 在結(jié)構(gòu)簡單，功能全面的前提之下，單片機(jī)仍然擁有著不俗的可靠性，單片機(jī)內(nèi)部很多部件是固化的，所有指令通道集成在一個芯片之內(nèi)，而且在工業(yè)設(shè)計上使用也不會受到其他因素的干擾，可靠性很高； （ 5）在價格方面也比較低 這么多的優(yōu)點(diǎn)齊聚之下，它的價格也是非常親民的，一般的研究者都能消費(fèi)的起，并不是大研究所的專屬芯片，所以更加突出了單片機(jī)的廣闊市場。 在諸多地方得到了 相當(dāng)多的應(yīng)用，通過單片機(jī)把很多傳統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備改進(jìn)成為