基于STM32的双轮机器人控制系统研究与设计

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1、分类号——密级UDC学校代码!Q垒窆Z．武多凄理歹大浮学位论文题目基士S羔丛三2的塾捡垫鲞厶撞剑歪丝盟窥曼遮盐一．英文Researchanddesignofthecontrolsystemoftwo．wheeled题目!Q鱼Q￡墨坠垒墨叠亟Q垒S!丛圣2研究生姓名盘查堡姓名庄尘±职称到塾撞学位盗±指导教师单位名称盐笠扭型鲎鱼垫盔堂瞳．邮编430070申请学位级别硕士论文提交日期2Q!!生§旦论文答辩日期．2Q!!生5旦一学位授予单位盛垫垄三盘鲎学位授予日期答辩委员会主席塑匦垒亟评阅人!i鱼!蚕迦委!至2011年05月嬲嘲螋Y187§‘学1I：ji”芝独创性声明本人声明，所呈

2、交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：盈盏主蠡日期：銎12：!：丝学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其

3、他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。(保密的论文在解密后应遵守此规定)研究生(签名)：凇导师(签名)：j釜垒1日期：2蜘摘要自美国发明家DeanKamen于1995年发明设计了第一台平衡机器人Segway以来，平衡机器人便受到人们极大的关注。它的特点是两个车轮共轴，可差动运动，依照倒立摆原理达到动态平衡。但是平衡车发展到现在，它的应用领域仅限于交通领域，而且价格不菲。此外，由于平衡机器人是一个非线性、不稳定的系统，处于平衡状态时，需要不断调整车轮的扭矩，这样系统就会处于耗电状态，

4、一旦电量不足就会失去平衡。因此，如何使平衡机器人在功能丰富的同时降低成本，以及如何节约宝贵的电池电量成为了本文重点研究的课题。为此，本文提出了基于STM32的双轮机器人，对控制系统重新设计，它的特点是在不需要工作的时候，可遥控关闭系统，使系统处于休眠状态，达到节能的目的。需要工作的时候可遥控启动系统，平衡机器人可借助机械臂自动恢复平衡。在功能扩展方面，增加了LCD显示，并将开源实时操作系统gCOS．II应用到了平衡机器人中，为今后其它功能扩展留有了很大的余地。成本控制方面，选用了性价比较高的元器件，满足平衡机器人的性能的同时达到成本低廉的目的。本文具体完成的工作主要体现在以

5、下几个方面。1)使用四个舵机，将其中两个舵机改造成伺服电机驱动平衡机器人的两个车轮，另外两个舵机用于控制机械臂，恢复机器人的平衡。四个舵机统一受舵机控制器控制；2)设计了编码器，满足性能的基础上，最大限度上节约了成本；3)选用了性价比较高的加速计、陀螺仪、遥控收发器、LCD显示屏、舵机、舵机控制与微控制器，针对上述元器件分别绘制了原理图与PCB。搭建出平衡机器人的整个电路；．4)为防止陀螺仪与加速计的信号在传输过程中受外界干扰，根据Kalman滤波的理论，编写了相应的代码进行滤波，并求出两者间角速度的最优值；5)为了获得理想的平衡控制效果，根据PID调节器的原理，编写了PI

6、D调节的代码；6)成功将实时操作系统gCOS．II移植到了STM32上，在此基础之上设计并编写了平衡机器人的任务与中断服务程序的代码。在完成上述工作之后，笔者将平衡机器人与上位机之间通过仿真器ULINK．II相连接，利用ARM开发工具RealViewMDK集成的Trace功能对平衡机器人车身倾角做了跟踪实验。实验表明，本文的设计平衡机器人运行平稳，并能够实现自动恢复平衡的功能，达到了设计目的。关键词：双轮机器人控制系统，STM32，陀螺仪，加速计，laCOS．II，Kalman滤波，PIDIIAbstractSincetheAmericaninventorDeanKamen

7、designedthefirstbalancingrobot(Segway)in1995，ithasbeengreatconcernbythepeople．Itischaracterizedbyatotaloftwowheelshaft，differentialmovement，inaccordancewithofprinciplesdynamicequilibriumofinvertedpendulum．Untilnow,itislimitedtotransportationapplications，andexp