两轮自平衡小车毕业设计论文

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1、两轮自平衡小车毕业设计毕业论文目录1.绪论11.1研究背景与意义11.2两轮自平衡车的关键技术21.2.1系统设计21.2.2数学建模21.2.3姿态检测系统21.2.4控制算法31.3本文主要研究目标与内容31.4论文章节安排32.系统原理分析52.1控制系统要求分析52.2平衡控制原理分析52.3自平衡小车数学模型62.3.1两轮自平衡小车受力分析62.3.2自平衡小车运动微分方程92.4PID控制器设计102.4.1PID控制器原理102.4.2PID控制器设计112.5姿态检测系统122.5.1陀螺仪122.5.2加速度计1

2、32.5.3基于卡尔曼滤波的数据融合142.6本章小结163.系统硬件电路设计173.1MC9SXS128单片机介绍173.2单片机最小系统设计193.3电源管理模块设计21523.4倾角传感器信号调理电路223.4.1加速度计电路设计223.4.2陀螺仪放大电路设计223.5电机驱动电路设计233.5.1驱动芯片介绍243.5.2驱动电路设计243.6速度检测模块设计253.6.1编码器介绍253.6.2编码器电路设计263.7辅助调试电路273.8本章小结274.系统软件设计284.1软件系统总体结构284.2单片机初始化软件设

3、计284.2.1锁相环初始化284.2.2模数转换模块（ATD）初始化294.2.3串行通信模块（SCI）初始化设置304.2.4测速模块初始化314.2.5PWM模块初始化324.3姿态检测系统软件设计324.3.1陀螺仪与加速度计输出值转换324.3.2卡尔曼滤波器的软件实现344.4平衡PID控制软件实现354.5两轮自平衡车的运动控制374.6本章小结395.系统调试405.1系统调试工具405.2系统硬件电路调试405.3姿态检测系统调试415.4控制系统PID参数整定44525.5两轮自平衡小车动态调试445.6本章小结

4、456.总结与展望466.1总结466.2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5252常熟理工学院毕业设计（论文）1.绪论1.1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

5、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

6、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

7、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1-1所示，在2002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”52常熟理工学院毕业设计（论文）这种动作。因此卡

8、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1-1Segway两轮自平衡车1.2两轮自平衡车的关键技术1.2.1系统设计两轮自平衡车的系统设计包括：车身