燕山大学课程设计说明书题目：双轮自平衡小车机器人系统设计与制作学院（系）:机械工程学院年级专业：12级机械电子工程组 号: 3学生姓名：指导教师:史艳国姚建涛李艳文史小华张庆玲唐艳华李富娟刘晓飞刘正操胡浩波日 期： 2015.11燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：机械工程学院基层教学单位：机械电子工程系组号学生姓名设计题目双轮自平衡小车机器人系统设计与制作设计要求在课程研究项目所搭建的伺服控制系统的基础上，自主设计加工双轮车的机械系统，并完成 智能双轮自平衡车系统装配与调试。技 术 参 数所搭建的双轮车系统需要具备以下基本功能：a. 具备一定的自平衡能力，自动检测自身机械系统的倾角并完成姿态的调整；b. 具备一定的负载承载能力，在加载一定重量的重物时能够快速做出调整并保证自身系统 的自我平衡；c. 具备速度调节能力，能够以不同的运动速度实现双轮车系统的前进、后退、左转与右转 等动作；d. 具备无线通讯功能，能够实现双轮自平衡车系统的无线远程操作控制。工 作 量（1）资料分析：查阅相关文献资料，对资料进行分析总结。（2）机器人总体设计：确定机器人的具体任务要求，根据任务初步拟定机器人的技术参数、 运动形式、机械结构、驱动方案、传动方案、控制方案等。（3）机器人机械结构设计：将机器人分解为车身结构、机械臂和手爪等若干部分，分别对 各个结构的关键部件进行详细设计并校核，绘制机器人总装图和关键零部件图。（4）传感和信息检测及信息传输：根据任务要求，完成相关信息检测、处理，并完成信息 的正确传输。（4）运动控制方案设计；基于传感信息，采用单片机完成机器人控制系统硬件和软件的设 计和系统调试。（5）编制课程设计说明书工 作 计 划（1）资料查阅、分析总结，所需天数1天（2）总体方案设计，所需天数2天（3）机械结构设计，所需天数2天（4）传感、信息传输和运动控制系统的设计，所需天数2天（5）关键零部件的设计制作，所需天数2天（6）控制程序编码与调试，所需天数3天（7）绘制总装图和关键零件图，所需天数2天（8）系统整体装配与调试 所需天数3天（9）编制课程设计说明书所需天数2天（10）答辩考核、演示，所需天数1天参考资料通过校园网在我校订阅的电子资料库中可以搜索到大量的有关机电一体化以及电机和电力 拖动的参考资料。同学们也可到学校的图书馆查找纸质期刊资料。机械学院的计算机中心上班时 间免费对本院学生开放。指导教师签字基层教学单位主任签字摘要两轮自平衡小车是一种非线性、多变量、强耦合、参数不确定的复杂系统，他 体积小、结构简单、运动灵活，适合在狭小空间内工作，是检验各种控制方法的一 个理想装置，受到广大研究人员的重视，成为具有挑战性的课题之一。两轮自平衡小车系统是一种两轮左右并行布置的系统。像传统的倒立一样，其 工作原理是依靠倾角传感器所检测的位姿和状态变化率结合控制算法来维持自身平 衡。本设计通过对倒立摆进行动力学建模，类比得到小车平衡的条件。从加速度计 和陀螺仪传感器得出的角度。运用卡尔曼滤波优化，补偿陀螺仪的漂移误差和加速 度计的动态误差，得到更优的倾角近似值。通过光电编码器分别得到车子的线速度 和转向角速度，对速度进行PI控制。根据PID控制调节参数，实现两轮直立行走。 通过调节左右两轮的差速实现小车的转向。制作完成后，小车实现了在无线蓝牙通讯下前进、后退、和左右转向的基本动 作。此外小车能在正常条件下达到自主平衡状态。并且在适量干扰下，小车能够自 主调整并迅速恢复稳定状态。关键词： 自平衡陀螺仪控制调试刖言移动机器人是机器人学的一个重要分支，对于移动机器人的研究，包括轮式、腿 式、履带式以及水下式机器人等，可以追溯到20世纪60年代。移动机器人得到快速 发展有两方面原因：一是其应用范围越来越广泛；二是相关领域如计算、传感、控制 及执行等技术的快速发展。移动机器人尚有不少技术问题有待解决，因此近几年对移 动机器人的研究相当活跃。近年来，随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，所面临的环境和任 务也越来越复杂。机器人经常会遇到一些比较狭窄，而且有很多大转角的工作场合， 如何在这样比较复杂的环境中灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。 双轮自平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的。两轮自平衡小车是一个高度不 稳定两轮机器人，是一种多变量、非线性、强耦合的系统，是检验各种控制方法的典 型装置。同时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，将会在军用和民用 领域有着广泛的应用前景。因为它既有理论研究意义又有实用价值，所以两轮自平衡 小车的研究在最近十年引起了大量机器人技术实验室的广泛关注。本论文主要叙述了基于stm32控制的两轮自平衡小车的设计与实现的整个过程。 主要内容为两轮自平衡小车的平衡原理，直立控制，速度控制，转向控制及系统定位 算法的设计。通过此设计使小车具备一定的自平衡能力、负载承载能力、速度调节能 力和无线通讯功能。小车能够自动检测自身机械系统的倾角并完成姿态的调整，并在 加载一定重量的重物时能够快速做出调整并保证自身系统的自我平衡。能够以不同运 动速度实现双轮车系统的前进、后退、左转与右转等动作，同时也能够实现双轮自平 衡车系统的无线远程控制操作目录摘要I前言II第1章项目任务11.1项目概述11.2项目内容21.3预期结果2第2章方案设计22.1芯片的选择22.2电机驱动的选择22.3陀螺仪的选择3第3章平衡车控制原理43.1控制系统要求分析43.2平衡控制原理53.3平衡车数学模型53.4 PID控制原理 93.5 PWM调速原理10第4章硬件设计114.1电路原理图114.2芯片的电路设计 114.3 电机驱动的电路设计124.4 陀螺仪的电路设计134.5编码器的电路设计 14第5章平衡车结构设计155.1 元件清单及成本155.2 三维建模16第6章软件设计186.1程序框图186.2源代码18第7章实验测试197.1keil软件简介197.2测试过程及结果197.3最终实物图20第8章市场前景调查分析21结论22心得体会23参考文献24致谢25附录1 26第1章项目任务1.1项目概述移动机器人是机器人学的一个重要分支，对于移动机器人的研究，包括轮式、腿式、 履带式以及水下式机器人等，可以追溯到20世纪60年代。移动机器人得到快速发展有 两方面原因：一是其应用范围越来越广泛；二是相关领域如计算、传感、控制及执行等 技术的快速发展。移动机器人尚有不少技术问题有待解决，因此近几年对移动机器人的 研究相当活跃。近年来，随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，所面临的环境和任务 也越来越复杂。机器人经常会遇到一些比较狭窄，而且有很多大转角的工作场合，如何 在这样比较复杂的环境中灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。双轮自 平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的。两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮 机器人，是一种多变量、非线性、强耦合的系统，是检验各种控制方法的典型装置。同 时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，将会在军用和民用领域有着广泛 的应用前景。因为它既有理论研究意义又有实用价值，所以两轮自平衡小车的研究在最 近十年引起了大量机器人技术实验室的广泛关注。本文是对本质不稳定两轮小车自平衡控制问题的研究。并通过无线蓝牙远程控制小 车前进、后退、和左右转向等基本动作。1.2项目内容（1）设计两轮自平衡小车驱动电路。选择合适的电机、传感器和微控制单元并合理 设计相应的外围电路，最终完成两轮自平衡小车系统的硬件设计。（2）完成驱动板的调试。通过对驱动触发脉冲、D/A输出以及电机空载进行实验， 从功能上验证了其驱动板基本能够满足系统的要求。（3）处理传感器数据。选用惯性导航器件陀螺仪和加速度计，详细分析两者的工作 原理和各自单独使用所存在的问题。（4）研究自平衡小车的控制策略。最终实现平衡车的左转、右转、前进、后退等功 能。1.3预期结果（1）具备一定的自平衡能力，自动检测自身机械系统的倾角并完成姿态的调整；（2）具备一定的负载承载能力，在加载一定重量的重物时能够快速做出调整并保证自身系统的自我平衡；(3) 具备速度调节能力，能够以不同运动速度实现双轮车系统的前进、后退、左转 与右转等动作；(4) 具备无线通讯功能，能够实现双轮自平衡车系统的无线远程控制操作。第2章方案设计2.1主控芯片的选择STM32单片机作为主控芯片。此芯片是以ARM的Cortex-M系列为内核的单片机， 相对其他单片机，外设丰富，主频高，价格便宜，有专门的软件库，操作简单，调试方 便，低功耗。强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时 钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品 用户的最佳选择。2.2电机驱动的选择TB6612FNG是东芝半导体公司生产的一款直流电机驱动器件，它具有大电流 MOSFET-H桥结构，双通道电路输出，可同时驱动2个电机。TB6612FNG每通道输出最高1.2 A的连续驱动电流，启动峰值电流达2A/3.2 A(连续 脉冲/单脉冲);4种电机控制模式：正转/反转/制动/停止;PWM支持频率高达100 kHz;待机 状态;片内低压检测电路与热停机保护电路;工作温度：-2085GSSOP24小型贴片封装。N1JW4A1N2A1N1.VCC5明GMBINIHJN2FWKBVM2TB6612FNG 的主要引脚功能(如图 2.2.1)： AINl/AIN2、BIN1/BIN2PWMA/PWMB 为控制信号输入端;AO1/A02、B01/B02为2路电机控制输出端;STBY为正常工作/待机状 态控制引脚;VM(4.515 V)和VCC(2.75.5 V)分别为电机驱动电压输入和逻辑电平输 入端。AO匚AO1 T PGND1 T Pf.HDI ITAO2T Ag叵 1102 l|T H曜叵 F(iND2 叵 PCHlJl 地acn叵BOl叵图 2.1 TB6612FNG 引脚TB6612FNG是基于MOSFET的H桥集成电路，其效率高于晶体管H桥驱动器。相 比L293D每通道平均600 mA的驱动电流和1.2 A的脉冲峰值电流，它的输出负载能力 提高了一倍。相比L298N的热耗性和外围二极管续流电路，它无需外加散热片，外围电 路简单，只需外接电源滤波电容就可以直接驱动电机，利于减小系统尺寸。对于PWM 信号，它支持高达100 kHz的频率，相对以上2款芯片的5 kHz和40 kHz也具有较大优 势。2.3陀螺仪的选择MPU-60X0是全球首例9轴运动处理传感器。它集成了 3轴MEMS陀螺仪，3轴 MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP （Digital Motion Processor）， 可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后就可以通过其I2C或 SPI接口输出一个9轴的信号（SPI接口仅在MPU-6000可用）。MPU-60X0也可以通过 其I2C接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。MPU-60X0对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量