基于STC12C5A60S2的双轮平衡车过程控制系统设计.doc

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1、基于STC12C5A60S2的双轮平衡车控制系统设计【摘　要】双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、绝对不稳定的系统，且因其运动环境复杂、运动学方程中的非完整约束，所以其控制任务也具有复杂性，需要在完成平衡控制的同时又要实现直立行走，本文主要介绍了以STC12C5A60S2单片机作为核心控制器的双轮平衡车控制系统设计方案。系统采用MPU6050六轴传感器，采集角度和角速度，应用卡尔曼融合滤波方式及PID控制算法，控制直流电机实现自平衡小车的平衡和直立行走。经过系统测试，基本达到设计要求。

2、【关键词】双轮平衡车STC12C5A60S2控制系统BasedonSTC12C5A60S2oftheTwo-wheeledBalancingVehicleControlSystemDesign【Abstract】:Two-wheeledself-balancingcarsisahighlyunstabletwo-wheeledrobot,isakindofmultivariable,nonlinearandabsolutelyunstablesystems,andbecauseofitscomplexmoveme

3、ntenvironment,thekinematicsequationsofthenonholonomicconstraints,alsoiscomplex,soitscontroltasksneedtocompletebalancecontroltoachievewalkinguprightagainatthesametime,thisarticlemainlyintroducedtheSTC12C5A60S2microcontrollerasthecorecontrollerofthetwo-wheelbal

4、ancingcarcontrolsystemdesignscheme.SystemadoptsMPU6050sixaxissensor,acquisitionAngleandangularvelocity,theapplicationofkalmanfilteringfusionmethodandPIDcontrolalgorithm,realizethebalancecontroldcmotorcarbalanceandwalkingupright.Throughthesystemtest,basicallym

5、eetthedesignrequirements.【Keywords】:TheTwo-wheeledbalancingvehicleSTC12C5A60S2Thecontrolsystem41目录第1章引言31.1双轮自平衡小车的研究意义31.2双轮自平衡小车的发展历程和现状31.3本课题的研究内容和关键问题4第2章双轮平衡小车系统的总体概述52.1系统组成52.2系统各模块的主要功能52.3系统的主要特点5第3章双轮平衡小车系统的原理63.1小车直立平衡物理分析与数学建模63.2角度、角速度及车速的数据采集与处

6、理83.3PID控制技术133.4车模速度控制14第4章系统硬件电路设计174.1单片机最小系统模块设计174.2红外光电传感器GK102测速电路设计174.3NRF24L01无线模块控制电路设计184.4六轴模块电路图194.5AD转换电路的设计204.6电源电路模块设计204.7直流电机的驱动电路21第5章系统软件设计225.1软件设计的总体思路225.2系统程序设计主要流程图22第6章测试方案与测试结果266.1调试参数266.2车模初步调试266.3静态参数调试29结束语32致谢33参考文献34附录35附

7、录1：实物图35附录2：系统总原理图36附录3：单片机最小系统PCB图37附录4：两轮车主程序3741第1章引言本章简要介绍了两轮自平衡小车的研究意义、起源与发展以及国内外的研究现状，并依此提出了本论文研究的主要内容。1.1双轮自平衡小车的研究意义本课题旨在研制一种单轴双轮自平衡代步车。该系统是一种两轮左右平行布置的电动车，像传统的倒立摆一样，本身是一个自然不稳定体，必须施加强有力的控制手段才能使之稳定。由于它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性，因而对其进行研究具有重要的理论和实践意义。双轮自平衡小

8、车是一个高度不稳定两轮机器人，是一种多变量、非线性、绝对不稳定的系统，且因其运动环境复杂、运动学方程中的非完整约束，所以其控制任务也具有复杂性，需要在完成平衡控制的同时实现直立行走等任务，因其既有理论意义又有实用价值，双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[1]。双轮自平衡小车作为倒置系统的一种形式，是动力学理论和自动控制理论与技术相结合的研究