【正文】 用范圍越來越廣泛，面臨的環(huán)境和任務(wù)也越來越 復(fù)雜，這就要求移動機(jī)器人必須能夠適應(yīng)一些復(fù) 雜的環(huán)境和任務(wù)。 49 致謝 48 附錄一 系統(tǒng)電路原理圖 44 V 本章小結(jié) 40 系統(tǒng)調(diào)試工具 37 本章小結(jié) 27 本章小結(jié) 25 編碼器電路設(shè)計(jì) 22 IV 加速度計(jì)電路設(shè)計(jì) 19 電源管理模塊設(shè)計(jì) 14 本章小結(jié) 12 陀螺儀 9 PID 控制器設(shè)計(jì) 6 兩輪自平衡小車受力 分析 5 自平衡小車數(shù)學(xué)模型 5 控制系統(tǒng)要求分析 2 控制算法 2 數(shù)學(xué)建模 Data fusion III 目 錄 Gesture detection。 關(guān)鍵詞： 兩輪自平衡 陀螺儀 姿態(tài)檢測 卡爾曼 濾波 數(shù)據(jù)融合 II Design of TwoWheel SelfBalance Vehicle Abstract In recent years, the research and application of twowheel selfbalanced vehicle have obtained rapid development. This paper presents a design scheme of twowheel selfbalanced vehicle. Gyroscope ENC03 and MEMS accelerometer MMA7260 constitute vehicle posture detection device. System adopts Kalman filter to plete the gyroscope data and accelerometer data fusion.， and adopts freescale16bit microcontrollerMC9S12XS128 as controller core. The center controller realizes the sensor signal processing the sensor signal processing, filtering algorithm and body control, humanmachine interaction and so on. Upon pletion of the entire system, each module can be normal and to coordinate work. The vehicle can keep balancing in unmanned condition. At the same time, the vehicle can be adjusted independently then quickly restore stability when there is a moderate amount of interference. In addition, the vehicle also can achieve forward, backward, left and right turn and other basic movements. Key Words: TwoWheel SelfBalance。同時在引入適量干擾情況下小車能夠自主調(diào)整并迅速恢 復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)選用飛思卡爾 16位單片機(jī) MC9S12XS128為控制核心，完成了傳感器信號的處理，濾波算法的實(shí)現(xiàn)及車身控制，人機(jī)交互等。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 兩輪自平衡小車的設(shè)計(jì) 學(xué) 院 電氣與自動化工程學(xué)院 年 級 專 業(yè) 班 級 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 職 稱 論文提交日期 I 兩 輪自平衡小車的設(shè)計(jì) 摘 要 近年來，兩輪自平衡車的研究與應(yīng)用獲得了迅猛發(fā)展。本文提出了一種兩輪自平衡小車的設(shè)計(jì)方案， 采用陀螺儀 ENC03以及 MEMS加速度傳感器 MMA7260構(gòu)成小車姿態(tài)檢測裝置， 使用 卡爾曼 濾波完成陀螺儀數(shù)據(jù)與加速度計(jì)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)融合。 整個系統(tǒng)制作完成后， 各個 模塊 能 夠正常并 協(xié)調(diào)工作 ，小車可以在無人干預(yù)條件下實(shí)現(xiàn)自主平衡。小車還可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，后退，左右轉(zhuǎn)等基本動作。 Gyroscope。 Kalman filter。 1 研究背景與意義 1 兩輪自平衡車的關(guān)鍵技術(shù) 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 姿態(tài)檢測系統(tǒng) 3 本文主要研究目標(biāo)與內(nèi)容 3 論文章節(jié)安排 3 5 平衡控制原理分析 6 自平衡小車運(yùn)動微分方程 10 PID 控制器原理 10 PID 控制器設(shè)計(jì) 11 姿態(tài)檢測系統(tǒng) 12 加速度計(jì) 13 基于 卡爾曼 濾波的數(shù)據(jù)融合 16 17 MC9SXS128 單片機(jī)介紹 17 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 傾角傳感器信號調(diào)理電路 22 陀螺 儀放大電路設(shè)計(jì) 22 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 23 驅(qū)動芯片介紹 24 驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 24 速度檢測模塊設(shè)計(jì) 25 編碼器介紹 26 輔助調(diào)試電路 27 28 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 28 單片機(jī)初始化軟件設(shè)計(jì) 28 鎖相環(huán)初始化 28 模 數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ ATD）初始化 29 串行通信模塊（ SCI）初始化設(shè)置 30 測速模塊初始化 31 PWM 模塊初始化 32 姿態(tài)檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 32 陀螺儀與加速度計(jì)輸出值轉(zhuǎn)換 32 卡爾曼 濾波器的軟 件實(shí)現(xiàn) 34 平衡 PID 控制軟件實(shí)現(xiàn) 36 兩輪自平衡車的運(yùn)動控制 39 5. 系統(tǒng)調(diào)試 40 系統(tǒng)硬件電路調(diào)試 40 姿態(tài)檢測系統(tǒng)調(diào)試 41 控制系統(tǒng) PID 參數(shù)整定 43 兩輪自平衡小車動態(tài)調(diào)試 45 6. 總結(jié)與展望 46 總結(jié) 46 展望 46 參考文獻(xiàn) 47 附 錄 48 附錄二 系統(tǒng)核心源代碼 比如， 戶外移動機(jī)器人需要在凹凸不平的地面上行走，有時環(huán)境中能夠允許機(jī)器人運(yùn)行的地方比較狹窄等。 兩輪自平衡機(jī)器人的概念正是在這樣一個背景下提出來的，這種機(jī)器人區(qū)別于其他移動機(jī)器人的最顯著的特點(diǎn)是：采用了兩輪共軸、各自獨(dú)立驅(qū)動的工作方式 (這種驅(qū)動方式又被稱為差分式驅(qū)動方式 )，車身的重心位于車輪軸的上方，通過輪子的前后移動來保持車身的平衡，并且還能夠在直立平衡的情況下行駛。 兩輪自平衡機(jī)器人自面世以來，一直受到世界各國機(jī)器人愛好者和研究者的關(guān)注，這不僅是因?yàn)閮奢喿云胶鈾C(jī)器人具有獨(dú)特的外形和結(jié)構(gòu)，更重要的是因?yàn)?其自 身的本質(zhì)不穩(wěn)定性和非線性使它成為很好的驗(yàn)證控制理論和控制方法的平臺，具有很高的研究價值。這個基本的概念就是用數(shù)字處理器來偵測平衡的改變，然后以平行的雙輪來保持機(jī)器的平穩(wěn) [1][2]。美國發(fā)明家狄恩 ?卡門與他的 DEKA 研發(fā)公司研發(fā)出了可以用于載人的兩輪自平衡車命名為賽格威，并已投入市場。 當(dāng)今唯一市場化的兩輪自平衡電動車，如圖 11 所示，在 2021 年上市以來就備受各界的關(guān)注。所以當(dāng)人 類的身體前傾時，這種不自主的反應(yīng)會促使人類伸出其中的一只腳往前走 來平衡身體，所以透過這種前傾、往前踏腳、前傾、往前踏腳的動作循環(huán)，即構(gòu)成了 “ 步行 ” 這種動作。 圖 11 Segway 兩輪自平衡車 兩輪自平衡車的關(guān)鍵技術(shù) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 兩輪自平衡車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括：車身機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 數(shù)學(xué)建模 系統(tǒng)模型的建立，有助于控制器設(shè)計(jì)，以及控制系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的確定。然而通常的動力學(xué)建模方法沒有考慮電機(jī)轉(zhuǎn)動，車身震動對模型的影響。 姿態(tài)檢測系統(tǒng) 兩輪 子平衡車通過姿態(tài)檢測系統(tǒng)來實(shí)時檢測車 身姿態(tài)及運(yùn)動狀態(tài)，并根據(jù)姿態(tài)信息對小車進(jìn)行控制。目前有多重技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傾角檢測，但是實(shí)時性，經(jīng)濟(jì)性還不夠理想。但是由于慣性傳感器自身固有特性，隨著溫度，震動等外界變化，會產(chǎn)生不同程度的漂移與噪聲，因常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 此必須使用一些 濾波算法，對陀螺儀和加速度計(jì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，使測量角度更加真實(shí)穩(wěn)定。在遇到外界干擾如何快速恢復(fù)，保持自平衡等問題是控制算法需要考慮的問題。當(dāng)然，也可以采用各類先進(jìn)的控制算法，諸如基于狀態(tài)空間的 LQR（最優(yōu)控制）、模糊控制、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等 [4]。 PID 控制算法的實(shí)現(xiàn)以及直流電機(jī)調(diào)速的研究。同時還需要設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動電路。 (4) PID 控制算法：包括兩路閉環(huán)控制。 論文章節(jié)安排 第一章：緒論，介紹 兩輪自平衡車 的發(fā)展歷史、研究方向及應(yīng)用前景，然后闡述課題的研究目標(biāo)及主要內(nèi)容。 第三章：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，介紹 兩輪子平衡車 硬件系統(tǒng)的組成與設(shè)計(jì)，主要 介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)、 陀螺儀信號放大 電路、電機(jī)驅(qū)動電路等。 第五章：系統(tǒng)調(diào)試，介紹 濾波算法的效果與參數(shù)調(diào)整方法， PID 參數(shù)整定 、電機(jī)、編碼器等模塊的調(diào)試效果，對調(diào)試結(jié)果進(jìn)行分析。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 2. 系統(tǒng)原理分析 控制系統(tǒng)要求分析 根據(jù)系統(tǒng)要求，小車必須要能夠在無外界干預(yù)下依靠一對平行的車輪保持平衡，并完成前進(jìn)，后退，左右轉(zhuǎn)彎等動作。因此，從控制角度來看，可以將小車作為一個控制對象， 控制輸入量是兩個車輪的轉(zhuǎn)動速度。 (2)小車速度控制：在保持平衡 的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)小車傾角實(shí)現(xiàn)對速度的控制，實(shí)際上還是演變?yōu)?對電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)小車 的 速度控制。 小車直立和方向控制任務(wù)都是直接通過 控制車模兩個后輪驅(qū)動電 機(jī)完成的，而速度控制則是通過調(diào)節(jié)小車傾角 完成的。 三個子系統(tǒng)各自獨(dú)立進(jìn)行控 制。為了方便分析，在分析其中之一時 ， 假設(shè)其它控制對象都已經(jīng)達(dá)到穩(wěn) 定。這三個任務(wù)中保持小車平衡是關(guān)鍵。因此對小車速度、方向的控制應(yīng)該盡量保持平滑，以減少對 平衡控制的干擾。為了避免影響車模平衡控制，這個車模傾角的改變需要非常緩慢的進(jìn)行。 平衡控制原理分析 控制小車平衡 的直觀經(jīng)驗(yàn)來自人類日常生活經(jīng)驗(yàn)。而一般人通過簡單訓(xùn)練就可以讓一 根直木棍在手指尖保持直立不倒。這兩個條件缺一不可，實(shí)際上這就是控制系統(tǒng)中的負(fù)反饋機(jī)制，如圖 21 所