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基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计.doc
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2023-07-07
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基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计.doc
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I
基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计
摘要
两轮自平衡车是一种高度不稳定的两轮机器人,就像传统的倒立摆一样,本
质不稳定是两轮小车的特性,必须施加有效的控制手段才能使其稳定。本文提出
了一种两轮自平衡小车的设计方案,采用重力加速度陀螺仪传感器 MPU-6050 检
测小车姿态,使用互补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 STC 公司的 8 位单片机 STC12C5A60S2 为主控制器,根据从传感器中获取的
数据,经过 PID 算法处理后,输出控制信号至电机驱动芯片 TB6612FNG,以控
制小车的两个电机,来使小车保持平衡状态。
整个系统制作完成后,小车可以在无人干预的条件下实现自主平衡,并且在
引入适量干扰的情况下小车能够自主调整并迅速恢复至稳定状态。通过蓝牙,还
可以控制小车前进,后退,左右转。
关键词:两轮自平衡小车 加速度计 陀螺仪 数据融合 滤波 PID 算法
II
Design of Control System of Two-Wheel
Self-Balance Vehicle based on Microcontroller
Abstract
Two-wheel self-balance vehicle is a kind of highly unstable two-wheel robot. The
characteristic of two-wheel vehicle is the nature of the instability as traditional
inverted pendulum, and effective control must be exerted if we need to make it
stable. This paper presents a design scheme of two-wheel self-balance vehicle. We
need using gravity accelerometer gyroscope sensor MPU6050 for the inclination
angle of vehicle, and using complementary filter for the data fusion of gyroscope and
accelerometer. We choose an 8-bit microcontroller named STC12C5A60S2 from STC
Company as main controller of the control system. The main controller output
control signal, which is based on the data from the sensors, to the motor drive chip
named TB6612FNG for controlling two motors of vehicle, and keeping the vehicle in
balance. After the completion of the control system, the vehicle can achieve
autonomous balance under the conditions of unmanned intervention, the vehicle
can adjust automatically and restored to a stable state quickly in the case of giving
appropriate interference as well. In addition, we can control the vehicle forward,
backward and turn around.
Key words: Two-Wheel Self-Balance Vehicle; Accelerometer; Gyroscope; Data fusion;
Complementary filter; PID algorithm
III
1 绪论 .......................................................................................................................................1
1.1 自平衡小车的研究背景 ................................................................................................1
1.2 自平衡小车研究意义 ....................................................................................................1
1.3 论文的主要内容 ............................................................................................................2
2 课题任务与关键技术 ...........................................................................................................2
2.1 主要任务 ........................................................................................................................2
2.2 关键技术 .........................................................................................................................2
2.2.1 系统设计 .................................................................................................................2
2.2.2 数学建模 .................................................................................................................2
2.2.3 姿态检测 ..................................................................................................................3
2.2.4 控制算法 .................................................................................................................3
3 系统原理分析 .......................................................................................................................3
3.1 控制系统任务分解 ........................................................................................................3
3.2 控制原理 ........................................................................................................................4
3.3 数学模型 ........................................................................................................................5
4 系统硬件设计 .......................................................................................................................6
4.1 STC12C5A60S2 单片机介绍 ............................................................................................7
4.2 电源管理模块 ................................................................................................................8
4.3 车身姿态感应模块 ........................................................................................................9
4.3.1 加速度计 ...............................................................................................................10
4.3.2 陀螺仪 ...................................................................................................................12
4.4 电机驱动模块 ..............................................................................................................14
4.5 速度检测模块 ..............................................................................................................16
5 系统软件设计 .....................................................................................................................16
5.1 软件系统总体结构 ......................................................................................................17
5.2 单片机的硬件资源配置 ..............................................................................................18
5.2.1 定时/计数器设置...................................................................................................18
5.2.2 PWM 输出设置 ......................................................................................................20
5.2.3 串行通信设置 .......................................................................................................23
IV
5.2.4 中断的开放与禁止 ...............................................................................................26
5.3 MPU6050 资源配置 ......................................................................................................27
5.3.1 普通 IO 口模拟 IIC 通讯........................................................................................28
5.3.2 MPU6050 资源配置 ...............................................................................................32
5.4 系统控制算法设计 ......................................................................................................34
5.4.1 PID 算法..................................................................................................................34
5.4.2 互补滤波算法 .......................................................................................................35
5.4.3 角度控制与速度控制 ...........................................................................................35
5.4.4 输出控制算法 .......................................................................................................36
6 总结与展望 .........................................................................................................................37
6.1 总结 ..............................................................................................................................37
6.2 展望 ..............................................................................................................................37
参考文献 .............................................................................................................................38
1
1 绪论
1.1 自平衡小车的研究背景
近几年来,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
目前机器人研究领域的一个重要组成部分,并且其应用领域日益广泛,其所需适
应的环境和执行的任务也更复杂,这就对移动机器人提出了更高的要求。比如,
户外移动机器人需要在凹凸不平的地面上行走,有时机器人所需要运行的地方比
较狭窄等。如何解决机器人在这些环境中运行的问题,已成为现实应用中所需要
面对的一个问题。
两轮自平衡小车就是在这些的需求下所产生的。这种机器人相对于其他移动
机器人的最显著特点是:采用了两轮共轴、各自独立驱动的方式工作,车身重心
位于车轮轴上方,通过车轮的前后滚动来保持车身的动态平衡,并可以在直立平
衡状态下完成前进、后退、左右转等任务。正是由于其特殊的构造,两轮自平衡
小车适应地形变化的能力较强,且运动灵活,可以胜任一些复杂环境中的工作。
两轮自平衡车自面世以来,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车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。
本世纪初。美国发明家狄恩·卡门与他的 DEKA 公司研发出了可以用于载人
的两轮自平衡车,并命名为赛格威,投入市场后,引发了自平衡车的流行。由于
两轮自平衡车有着活动灵活,环境无害等优点,其被广泛应用于各类高规格社会
活动中,目前该车已用于奥运会、世博会、机场、火车站等大型场合。
1.2 自平衡小车研究意义
由于两轮自平衡小车具有结构特殊、体积小、运动灵活、适应地形变化能力
强、能够方便的实现零半径回转、适合在拥挤和危险的空间内活动、可以胜任一
些复杂环境里的工作。因此两轮自平衡车有着广泛的应用前景,其典型应用包括
代步工具、通勤车、空间探索、危险品运输、高科技玩具、控制理论测试平台等
方面。目前自平衡车的应用如自平衡的代步车正在流行开来。因此两轮自平衡车
的研究很有意义。
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