一种两轮自平衡小车控制算法研究

摘要

近年来，两轮自平衡车的研究与应用获得迅的发展。本文提出了一种自平衡小车的实际方案，采用陀螺仪MPU6050作为车体传感器来检测车体姿态，使用卡尔曼滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合。系统选用ST公司的的32位单片机STM32F103C8T6为控制核心，完成了传感器信号的处理，滤波算法的实现的实现继车身控制，人机交互等。

整个系统控制完成后，各个模块能够正常并协调工作，小车可以再无人干预条件下实现自主平衡。同时在引入矢量干扰情况下小车能够自主调整并迅速恢复稳定状态。

关键词：MPU6050陀螺仪；STM32F103C8T6单片机；人机交互；自主平衡；

目录

引言 1

第1章 绪论 3

1.1 研究背景与意义 3

1.2 两轮自平衡车的关键技术 5

1.2.1 系统设计 5

1.2.2 数学模型 5

1.2.3 姿态检测系统 5

1.2.4 控制算法 6

第2章 系统原理分析 7

2.1 控制系统要求分析 7

2.2 平衡车控制原理分析 7

2.3 自平衡小车数学模型 8

2.3.1 两轮自平衡小车受力分析 8

2.3.2 自平衡小车运动微分方程 9

2.4 PID 控制器设计 10

        2.4.1 PID 控制器原理

        2.4.2 PID 控制器设计

2.5 PID 姿态检测系统 13

        2.5.1 陀螺仪

2.5..2 加速度计. 13

2.5..2 基于卡尔曼滤波的数据融合. 13

2.6 本章小结 13

第3章 系统硬件电路设计 14

3.1 STM32F103C8T6单片机介绍 14

3.2 电源管理模块设计 15

3.4 倾角传感器信号调理电路 16

3.4.1 加速度计电路设计  16

3.4.2 陀螺仪放大电路设计 16

3.5 电机驱动电路设计 17

3.5.1 驱动芯片介绍  17

3.5.2 驱动电路设计  17

3.7 辅助调试电路设计 16

3.8 本章小结 17

第4章 系统软件设计 18

4.1 软件系统总体结构 18

4.2 单片机初始化软件设计 18

4.2.1 锁相环初始化 19

4.2.2 模数转换模块（ATD)初始化 20

4.2.3 串行通信模块（SCI）初始化设置 20

4.2.4 测速模块初始化 20

4.2.5 PWM模块初始化 21

第5章 系统调试 29

5.1 系统调试工具 29

5.2 系统硬件电路调试 30

5.3 姿态检测系统调试 30

5.4 控制系统PID参数整定 32

5.5 两轮自平衡小车动态调试 32

5.6 姿态检测系统调试 33

第6章 总结与展望 34

6.1 总结 34

6.2 展望 34

参考文献 34

致谢 34