两轮自平衡小车的设计毕业设计

两轮自平衡小车的设计毕业设计内容摘要：

3。 39 5. 系统调试 40 系统调试工具 40 系统硬件电路调试 40 姿态检测系统调试 41 控制系统 PID 参数整定 43 两轮自平衡小车动态调试 44 V 本章小结 45 6. 总结与展望 46 总结 46 展望 46 参考文献 47 附 录 48 附录一 系统电路原理图 48 附录二 系统核心源代码 49 致谢 52 常熟理工学院毕业设计（论文） 1 研究背景与意义 近年来，随着电子技术的发展与进步，移动机器人的研究不断深入，成为目前科学研究最活跃的领域之一，移动机器人的应用范围越来越广泛，面临的环境和任务也越来越 复杂，这就要求移动机器人必须能够适应一些复杂的环境和任务。 比如， 户外移动机器人需要在凹凸不平的地面上行走，有时环境中能够允许机器人运行的地 方比较狭窄等。 如何解决机器人在这些环境中运行的问题，逐渐成为研究者关心的 问题。 两轮自平衡机器人的概念正是在这样一个背景下提出来的，这种机器人区别于其他移动机器人的最显著的特点是：采用了两轮共轴、各自独立驱动的工作方式 (这种驱动方式又被称为差分式驱动方式 )，车身的重心位于车轮轴的上方，通过轮子的前后移动来保持车身的平衡，并且还能够在直立平衡的情况下行驶。 由于特殊的结构，其适应地形变化能力强，运动灵活，可以胜任一些复杂环境里的工作。 两轮自平衡机器人自面世以来，一直受到世界各国机器人爱好者和研究者的关注，这不 仅是因为两轮自平衡机器人具有独特的外形和结构，更重要的是因为 其自 身的本质不稳定性和非线性使它成为很好的验证控制理论和控制方法的平台，具有很高的研究价值。 早在 1987 年，日本电信大学教授山藤一雄就提出了两轮自平衡机器人的概念。 这个基本的概念就是用数字处理器来侦测平衡的改变，然后以平行的双轮来保持机器的平稳 [1][2]。 本世纪初瑞士联邦工业大学的 Joe、美国的 SegwayN 等两轮自平衡机器人相继问世，世界各国越来越多的机器人爱好者和研究者开始关注两轮自平衡机器人。 美国发明家狄恩 •卡门与他的 DEKA 研发公司研 发出了可以用于载人的两轮自平衡车命名为赛格威，并已投入市场。 由于两轮自平衡车有着活动灵便，环境无害等优点，其被广泛应用于各类高规格社会活动，目前该车已用于奥运会以及世博会等大型场合。 当今唯一市场化的两轮自平衡电动车，如图 11 所示，在 2020 年上市以来就备受各界的关注。 卡门观察人类走路的姿势特性，领悟到其实人类之所以可以平稳地直立行走，是因为体内灵敏的平衡器官可以精确地判断出身体重心的改变量，透过小脑的即时反应，然后利用腿部的肌肉即时出力来平衡倾倒的态势。 所以当人 类的身体前倾时，这种不自主的反应会促使人类 伸出其中的一只脚往前走 来平衡身体，所以透过这种前倾、往前踏脚、前倾、往前踏脚的动作循环，即构成了 “ 步行 ” 这种动作。 因此常熟理工学院毕业设计（论文） 2 卡门尝试使用精密的陀螺仪来代替人类的前庭与耳蜗等平衡器官，以电动马达与车轮代替人类的双脚，发展出所谓的 “ 动态稳定 概念 [3]。 图 11 Segway 两轮自平衡车 两轮自平衡车的关键技术 系统设计 两轮自平衡车的系统设计包括：车身机械结构设计，硬件系统设计和软件系统设计。 在机械结构上保持小车重心的稳定性，才能减少控制系统由于车身机械结构的不合理性而造成的控制复杂化；硬件系 统必须包含自平衡车所需的所有电子系统与电气设备；软件系统则具体负责车身平衡控制。 数学建模 系统模型的建立，有助于控制器设计，以及控制系统各项参数的确定。 系统数学模型建立的重点在于动力学方面，主要采用拉格朗日动力学方程以及牛顿力学定律的方法。 然而通常的动力学建模方法没有考虑电机转动，车身震动对模型的影响。 并且两轮子平衡车是本质不稳定的非线性系统，因此建模必须考虑线性化问题。 姿态检测系统 两轮子平衡车通过姿态检测系统来实时检测车 身姿态及运动状态，并根据姿态信息对小车进行控制。 因此，对于两 轮自 平衡车来说，能够精确并稳定的检测当前车身倾角，是实现有效控制的关键所在。 目前有多重技术可以实现倾角检测，但是实时性，经济性还不够理想。 采用 MEMS(MicroElectroMechanical System， 微机电 系统 )陀螺仪和加速度计等惯性传感器构 成的姿态检测系统可以实时、 准确的检测两轮自平衡车的倾角。 但是由于惯性传感器自身固有特性，随着温度，震动等外界变化，会产生不同程度的漂移与噪声，因常熟理工学院毕业设计（论文） 3 此必须使用一些滤波算法，对陀螺仪和加速度计采集的数据进行融合，使测量角度更加真实稳定。 控制算法 两 轮自平衡车属于本质不稳定系统，因此其实现的平衡是一种动态平衡。 在遇到外界干扰如何快速恢复，保持自平衡等问题是控制算法需要考虑的问题。 传统的 PID 控制在各类工业场合有着广泛的应用，完全可以满足两轮自平衡车的控制系统要求。 当然，也可以采用各类先进的控制算法，诸如基于状态空间的 LQR（最优控制）、模糊控制、 神经网络等 [4]。 本文主要研究目标与内容 本课题设计了一款两轮自平衡小车，研究了车身姿态检测中陀螺仪与加速度传感器的互补特性，并根据其特性比较并设计滤波算法，包括 卡尔曼 滤波，互补滤波等常用滤波算法。 PID 控制算法的实现以及直流电机调速的研究。 具体包括： (1) 机器人本体设计：包括机械，重 心调整，电气系统设计等，为进一步研究提供良好的平台； (2) 信号调理及控制部分电路设计：陀螺仪输出信号需要经过进一步滤波放大 ，因此需要设计信号调理电路，同时控制核心需要构建相关输入输出模块及人际交互设备，因此需要对主控单元电路进行设计。 同时还需要设计直流电机驱动电路。 (3) 基于卡尔曼 滤波 的数据融合 ：由于陀螺仪测量的角速度只在短时间 内稳定而加速度传感器的自身白噪声很严重，因此根据其互补特性设计 卡尔曼 滤波器以得到准确稳 定的角度和角速度。 (4) PID 控制算法：包括两路闭环控制。 小车的倾角闭环控制以及直流电机的闭环速度控制。 论文章节安排 第一章：绪论，介绍 两轮自平衡车 的发展历史、研究方向及应用前景，然后阐述课题的研究目标及主要内容。 第二章：系统 原理阐述与分析，对小车的运动进行建模， 分析陀螺仪与加速度计的特性并对滤波算法 进行 阐述 ， 介绍 PID 控制器的设计。 第三章：系统硬件设计，介绍 两轮子平衡车 硬件系统的组成与设计，主要介绍单片机最小系统、 陀螺仪信号放大 电路、电机驱动电路等。 第四章：系统软件设计，介绍单片机初始化 ，滤波算法及控制算法，阐述各 模块 软件常熟理工学院毕业设计（论文） 4 设计 方法。 第五章：系统调试，介绍 滤波算法的效果与参数调整方法， PID 参数整定 、电机、编码器等模块的调试效果，对调试结果进行分析。 第六章：总结与展望， 总结本设计各模块，并对两轮自平衡小车的优化方向进行了简要阐述。 常熟理工学院毕业设计（论文） 5 2. 系统原理分析 控制系统要求分析 根据系统要求，小车必须要能够在无外界干预下依靠一对平行的车轮保持平衡，并完成前进，后退，左右转弯等动作。 分析系统要 求可知，保持小车直立和运动的动力都来自于小车的两只车轮，车轮 由两只直流 电机驱动。 因此，从控制角度来 看，可以将小车作为一个控制对象， 控制输入量是两个车轮的转动速度。 整个控制系统可以分为三个子系统： (1)小车 平衡控制：以小车倾角为输入量，通过控制两个电机的正反转保持小车 衡。 (2)小车速度控制：在保持平衡 的基础上，通过调节小车倾角实现对速度的控制，实际上还是演变为 对电机的控制实现小车 的 速度控制。 (3)小车方向控制：通过控制两 个电机间的转速不同 实现转向。 小车直立和方向控制任务都是直接通过 控制车模两个后轮驱动电机完成的，而速度控制则是通过调节小车倾角 完成的。 小车不同的倾角会引起车模的加减速，从而达到对小车速度的控制。 三个子系统各自独立进行控 制。 由于最终都是对同一个控制对象（小车的电机）进行控制，所以各个子系统 之间存在着耦合。 为了方便分析，在分析其中之一时 ， 假设其它控制对象都已经达到稳 定。 比如在速度控制时，需要小车已经能够保持直立控制；在方向控制 时，需要小车能够保持平衡和速度恒定；同样，在小车平衡控制时，也需要速度和方向控制已经达到平稳。 这三个任务中保持小车平衡是关键。 由于小车同时受到 三种控制的影响，从小车平衡控制的角度来看，其它两个控制就成为干扰。 因此对小车速度、方向的控制应该。