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基于KEA128的电磁感应平衡车硬件电路.doc
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基于KEA128的电磁感应平衡车硬件电路.doc
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北京理工大学珠海学院 2020 届本科生毕业论文
摘 要
两轮自平衡车具有车体模型体积小、快速转向、可在多种环境下工作等特点,对其
的多项研究成果已在交通运输、工业自动化、生活娱乐等方面投入使用。在计算机技术、
电子技术高速发展的情况下,可自动驾驶的智能车能够独立对当前环境进行感知,并快
速做出反应,进行加减速、转向等操作,已经成为了当前自动控制领域内的一个研究热
点。
教育部举办的“恩智浦”(原“飞思卡尔”)智能车大赛,是一项针对自动控制领
域当前研究热点的竞赛,为广大本科生提供了一个能够研究并应用自动控制技术的平台。
本文以第十一届“恩智浦”智能车大赛为背景,运用 S9KEAZ128AMLK 单片机,设计了一
种通过电磁感应识别道路的两轮自平衡车系统。
本文首先建立了力学模型,对平衡车的控制原理进行了分析。通过对系统的需求分
析,对单片机型号进行选型,并且对整体任务进行分解,以模块化的方式对各项功能进
行实现,完成系统的平衡控制、速度控制、方向控制以及道路识别等任务。
最后,对机械结构进行搭建并且将各模块合理地安装至车模上,完成了本系统的硬
件电路设计与功能实现。
关键词:两轮自平衡车;S9KEAZ128AMLK 单片机;力学模型;硬件电路设计
北京理工大学珠海学院 2020 届本科生毕业论文
Hardware Circuit Design of Electromagnetic Induction Balance
Car System Based on KEA128
Abstract
The two-wheeled self-balancing car has the characteristics of small size, fast steering,
and can work in various environments. Many of its research results have been put into use in
transportation, automated production and entertainment. With the rapid development of
computer technology and electronic technology, self-driving smart cars can independently
sense the current environment and quickly respond to acceleration, deceleration, steering and
other operations, which has become a research hotspot in the field of automatic control.
The “NXP” (formerly “Freescale”) Smart Car Competition held by the Ministry of
Education is a competition that focuses on current research hotspots in the field of automatic
control. It provides a platform for undergraduates to study and apply automatic control
technology. Based on the eleventh "NXP" Smart Car Competition, this paper uses the
S9KEAZ128AMLK microcontroller to design a two-wheeled self-balancing car system that
recognizes roads through electromagnetic induction.
In this paper, the force analysis model is first established to analyze the control principle
of the balance car. Through the analysis of the demand of the system, the model of the
single-chip microcontroller is selected. Furthermore, the overall task is decomposed, and
various functions are implemented in a modular manner to complete each task finally.
Finally, the mechanical structure is built and the modules are reasonably installed on the
car model, and the hardware circuit design and function implementation of the system are
completed.
Keywords: two-wheeled self-balancing vehicle; S9KEAZ128AMLK microcontroller;
mechanical model
北京理工大学珠海学院 2020 届本科生毕业论文
目 录
1 绪论 ...............................................................................................................................................................1
1.1 引言 ...................................................................................................................................................1
1.2 国内外研究现状 ...............................................................................................................................1
1.3 本文主要研究内容 ..........................................................................................................................3
1.4 本章小结 ..........................................................................................................................................4
2 系统原理介绍与模型分析 ...........................................................................................................................4
2.1 直立控制原理 ..................................................................................................................................4
2.2 速度控制原理 ..................................................................................................................................7
2.3 道路识别原理 ..................................................................................................................................7
2.4 方向控制原理 ..................................................................................................................................8
2.5 本章小结 ..........................................................................................................................................8
3 硬件电路设计 ...............................................................................................................................................8
3.1 总体设计 ..........................................................................................................................................8
3.2 单片机介绍 ....................................................................................................................................10
3.3 电源管理模块 ................................................................................................................................11
3.4 电机驱动模块 ................................................................................................................................13
3.5 速度检测模块 ................................................................................................................................14
3.6 倾角测定模块 ................................................................................................................................15
3.7 电磁感应模块 ................................................................................................................................16
3.8 蓝牙通讯模块 ................................................................................................................................17
北京理工大学珠海学院 2020 届本科生毕业论文
3.9 本章小结 .........................................................................................................................................17
4 系统的安装与调试 .....................................................................................................................................18
4.1 两轮直立平衡车车体模型介绍 ....................................................................................................18
4.2 编码器的安装与调试 ....................................................................................................................18
4.3 电路与电池的安装 ........................................................................................................................19
4.4 前瞻电感的安装 ............................................................................................................................20
4.5 系统的调试及参数整定 ................................................................................................................22
4.6 本章小结 ........................................................................................................................................24
5 结论与展望 .................................................................................................................................................24
5.1 结论 ................................................................................................................................................24
5.2 展望 ................................................................................................................................................25
参考文献 ........................................................................................................................................................26
致 谢 ............................................................................................................................................................27
附 录 ............................................................................................................................................................28
北京理工大学珠海学院 2020 届本科生毕业论文
1
1 绪论
1.1 引言
随着电子技术、人工智能、5G 技术的不断发展和成熟,机器人作为集成了这些技术
的代表,越来越受到各国的重视。在一般的研究中,机器人一般分为可移动与不可移动
两类,而可移动的机器人由于其可移动性高与使用场合多成为领域的研究热点。可移动
机器人一般通过安装车轮、履带或结合仿生学安装机械腿等方式进行移动。其中,由于
安装车轮的轮式机器人有着生产成本低、容易控制等优点,在实际应用的应用更为广泛。
在众多类型的轮式机器人中,两轮自平衡车具有车体模型体积小、结构简单、机动
性高等特点,可以应用于狭小空间和对人类危险的复杂环境中进行探测工作,有巨大的
发展空间和应用前景。两轮自平衡车由于其只有两个车轮,是一个高度不稳定的系统,
需要电机驱动两个车轮,通过运动保持平衡,因此虽然其结构简单但是系统特征十分复
杂。通过对两轮自平衡车的这种基于倒立摆系统模型研究,可以类推出其他种类机器人
的控制方式,应用到相关类型领域。因此,两轮自平衡车是一种良好的自动控制系统实
验平台,能够对控制算法、控制理论进行研究与检验
[1]
。
本文所研究的两轮自平衡车在交通运输、工业自动化、生活娱乐中有着广泛的应用。
在交通运输方面,体积小巧、转弯灵活、价格适中的两轮电动代步车满足了大众在短距
离代步的需求,成为新一代的代步工具
[2]
;工业自动化方面则体现在物流运输上的应用
[3]
;生活娱乐方面则是消费者喜爱的玩具
[4]
。因此,对两轮自平衡车的研究和学习不仅
能够培养综合能力与实践能力,还在社会生活等方面都具有重要研究意义。
1.2 国内外研究现状
上世纪末开始,国外就有针对两轮自平衡车的初步研究。1980 年,日本的山藤高桥
教授
[5]
在论文中阐述了自己关于两轮自平衡车的理解,并且在毫无前人经验的情况下,
应用有限的技术制作了一台两轮自平衡车。该平衡车仅能做前后运动,无法针对道路情
况进行转弯等操作。
2001 年,美国 Segway 公司将其生产的“Segway”两轮自平衡车推向市场,令平衡
车进入公众视野
[6]
,如图 1.1 所示。“Segway”平衡车可以承受一个成年人的重量,并
且其内置了多个姿态传感器,可令驾驶者通过身体重心的改变来控制双轮车的前进、后
退、转弯、加速、减速等动作。
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南抖北快东卫
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