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基于Arduino系统的两轮自平衡小车设计

摘要：近年来，两轮平衡车的发展速度很快。本文中提出了一种小型的玩具型的两轮平衡小车。它主要有三轴陀螺仪MPU6050、电机驱动模块TB6612及串口蓝牙模块等电路组成可控制的平衡小车。在数据处理方面使用了卡尔曼滤波算法。单片机方面采用了开源硬件Arduino系统，使得开更加便捷。

自平衡小车的设计方向和理念为玩具和娱乐方向的。本设计具有很多特点，主要是能自主平衡，整个系统变得更有可玩性。

关键词：两轮自平衡；陀螺仪；姿态检测；卡尔曼滤波；数据融合

 

目录

第一章 引言 1

1.1研究背景与意义 1

1.2两轮自平衡车的关键技术 1

1.2.1设计目标 1

1.2.2设计数学建模 1

第二章 总体方案的设计与论证 2

2.1控制系统分析 2

2.2自平衡两轮小车的整体方案设计 2

2.2.1自平衡车的速度设计 2

2.2.2自平衡车的各功能的设计 3

2.3本章小结 4

第三章 自平衡车硬件设计 5

3.1 硬件参数 6

3.2单片机最小系统 7

3.3系统电源 8

3.4姿态传感器 8

3.5电机驱动电路设计 9

3.5.1驱动芯片 9

3.5.2驱动电路 9

3.6 USB转串口电路 10

3.7本章小结 11

第四章 软件设计 12

4.1软件系统总体结构 12

4.2系统程序设计 13

4.2.1 I/O端口的初始化处理 13

4.2.2 PWM程序设计 13

4.2.3 PID库的初始化操作 13

4.2.4串口程序设计 14

4.3 MPU6050配置程序设计 14

4.4 PID算法参数程序设计 15

4.5整体程序的构思与实现 16

4.6本章小结 17

第五章 调试与分析 18

5.2系统的硬件电路调试 19

5.3小车姿态调试 20

5.4自平衡小车的动态调试 20

5.6本章小结 21

第六章 总结 22

6.2展望 23

参考文献 25

 

第一章 引言

1.1研究背景与意义

随着社会生产力的不断的更新与发展，能源的消耗也越来高，带来环境的污染，交通的拥挤等问题。这些问题的解决也迫在眉睫。同时也需要我们每个人贡献自己的一点点力量。所以各种小型的代步工具的需求量也越来越大，因此非常在大型商场、博物馆、机场、广场等室内室外人员代步工具。本文将对自行设计的两轮平衡小车进行研究和实物的制作。

1.2两轮自平衡车的关键技术

1.2.1设计目标

本项目要设计的自平衡两轮小车的任务主要包括以下几个点: 车身的机械结构设计，硬件电路设计，整体软件设计。在机械结构设计方面要注意小车的重心尽量保持稳定，这样才能使得在控制方面减少因为车身结构不合理而导致控制变得复及可能出现的异常的情况。在硬件系统设计中包括了两轮自平衡小车需要所需要的所有的电子系统；而软件系统主要完成两轮自平衡小车的平衡控制和前行后退等控制。

1.2.2设计数学建模

系统模型的建立也有助于控制器设计以及各项参数的的确定。建模的主要的重点在于动力方面，主要采用拉格朗日动力学方程以及牛顿力学定律。但是通常动力学建模要考虑实际情况，主要包括电机的转动以及车身的震荡造成的误差。

第二章 总体方案的设计与论证

2.1控制系统分析

我们根据自平衡两轮小车的系统要求，小车必须能够在没有外界的各种干扰下能够自己保持平衡，同时能够完成控制移动即前进、后退和左右转弯动作。

自平衡两轮小车的系统可以看出要保持小车的直立及运动的关键在于怎么控制小车的两个直流电机的动作，直流电机驱动小车的车轮。 所以我们从控制小车的平衡将小车作为一个整体控制对象，而控制的输入量则是小车的两个轮子的转速，整个系统可以分成三个子系统来验证和操作：

     (1) 自平衡两轮小车的自我平衡： 即可在电机的驱动作用下控制小车的自我平衡状态

 (2)自平衡两轮小车前后控制：当自平衡两轮小车可以完成自我平衡后，则要进行下一步的研究，就是让小车开始能进行前进、后退控制。 

     (3)自平衡两轮小车的方向控制：前后控制完成后就要让小车可以转弯，这里主要是通过控制两个轮子的差速来实现转弯的。

2.2自平衡两轮小车的整体方案设计

自平衡两轮小车的直立原理主要是通过 反馈来完成的。我们的小车有两个轮子，所以我们在考虑平衡的时候只要考虑小车的前后平衡就够了，不需要去考虑左右问题。通过控制小车的倾斜角度的编号反馈来实现让小车实现直立，下面主要叙述下整个方案要完成的任务。

2.2.1自平衡车的速度设计

小车的速度是根据控制小车的轮速来完成的，因为控制电机的转速，我们就能来控制小车的速度。

在这里，对小车电机的控制有三个作用：

1.首先对小车轮子的控制，可以用来实现让小车稳定直立。

2.其次可以通过控制小车电机来实现对小车的速度的运行和停止。

3.通过控制两个小车的的电机的速度实现差速控制，让小车可以实现转弯方向控制。 

2.2.2自平衡车的各功能的设计

对两轮自平衡车是由控制器、陀螺仪、电机、蓄电池、车体和其他的附件。其中控制器是小车的技术核心，因此，好的控制器能够直接影响到平衡车的好坏。目前，研究平衡车控制器的人和企业都很少，控制器：是由车体状态运算和平衡控制运算组成。平衡控制运算是由车体反应的状态数据计算出保持平衡状态时需要的行车速度和加速度，车体状态运算就是由每个传感器所得的数据加在一起得出车体的倾斜角度值与角速度值等。陀螺仪：在转动的时候它围绕一个垂直的轴线做锥形运动和它自身做轴线运动，也可以这样说陀螺就是围绕着自身做自转运动。陀螺仪做自转的速度快慢与否能够决定它摆动的角的大小。例如，转的越快它的摆动角就会越小，所以稳定性也是最好的。相反，转的越慢摆动角就会越大稳定性也就会越差。其实这就跟人骑自行车一样的道理，唯一不同的就是一个是做直线运动，另一个是做曲线运动。电机随着两轮自平衡车不断的出现在人们的生活中，所以市场竞争也跟着越来越激烈，所以不少的商家在两轮自平衡车的电机上花了不少的心思去宣传，电机：可以分成无刷直流电机和有刷直流电机。无刷直流电机具有效率高，操作性能好，结构简单，维修方便，体积小，质量轻的优点。它的转速控制系统要比直流有刷电机转速控制系统要高出很多，因此在使用的过程中极易发生故障。有刷直流电机是大多数电动车厂所选用的产品。因为它耐磨性好，设计合理，成本比较少有效的降低了维修费用。蓄电池：目前市场上普遍会选择铅酸电池作为两轮平衡车的动力选择，因为锂电池价格非常昂贵，这样一来会增加电动车的自身成本使用也不够方便。放电量比较大充电繁琐，而铅酸电池虽然重量和体积大，但是具有价格便宜，技术成熟等优点。车体和其他附件：因为车体要具备以下的功能，一、作为脚踏板用来承载人的重量，二、要作为一个轴承去链接两个车轮，三、还要当做一个储物箱，里面要安装陀螺仪、蓄电池、控制电路板等其他零件。选择车体的材料要满足较高的硬度和质量轻。

 

参考文献

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