双轮自平衡小车机器人系统设计与制作

燕山大学课程设计说明书题目：双轮自平衡小车机器人系统设计与制作学院（系）：机械工程学院年级专业：12级机械电子工程组号：3学生姓名：指导教师：史艳国姚建涛李艳文史小华张庆玲唐艳华李富娟刘晓飞刘正操胡浩波日期：2015.11燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：机械工程学院基层教学单位：机械电子工程系组号学生姓名设计题目双轮自平衡小车机器人系统设计与制作设计要求在课程研究项目所搭建的伺服控制系统的基础上，自主设计加工双轮车的机械系统，并完成智能双轮自平衡车系统装配与调试。技术参数所搭建的双轮车系统需要具备以下基本功能：a.具备一定的自平衡能力，自动检测自身机械系统的倾角并完成姿态的调整；b.具备一定的负载承载能力，在加载一定重量的重物时能够快速做出调整并保证自身系统的自我平衡；c.具备速度调节能力，能够以不同的运动速度实现双轮车系统的前进、后退、左转与右转等动作；d.具备无线通讯功能，能够实现双轮自平衡车系统的无线远程操作控制。工作量（1）资料分析：查阅相关文献资料，对资料进行分析总结。（2）机器人总体设计：确定机器人的具体任务要求，根据任务初步拟定机器人的技术参数、运动形式、机械结构、驱动方案、传动方案、控制方案等。（3）机器人机械结构设计：将机器人分解为车身结构、机械臂和手爪等若干部分，分别对各个结构的关键部件进行详细设计并校核，绘制机器人总装图和关键零部件图。（4）传感和信息检测及信息传输：根据任务要求，完成相关信息检测、处理，并完成信息的正确传输。（4）运动控制方案设计；基于传感信息，采用单片机完成机器人控制系统硬件和软件的设计和系统调试。（5）编制课程设计说明书工作计划（1）资料查阅、分析总结，所需天数1天（2）总体方案设计，所需天数2天（3）机械结构设计，所需天数2天（4）传感、信息传输和运动控制系统的设计，所需天数2天（5）关键零部件的设计制作，所需天数2天（6）控制程序编码与调试，所需天数3天（7）绘制总装图和关键零件图，所需天数2天（8）系统整体装配与调试所需天数3天（9）编制课程设计说明书所需天数2天（10）答辩考核、演示，所需天数1天参考资料通过校园网在我校订阅的电子资料库中可以搜索到大量的有关机电一体化以及电机和电力拖动的参考资料。同学们也可到学校的图书馆查找纸质期刊资料。机械学院的计算机中心上班时间免费对本院学生开放。指导教师签字基层教学单位主任签字燕山大学课程设计说明书I摘要两轮自平衡小车是一种非线性、多变量、强耦合、参数不确定的复杂系统，他体积小、结构简单、运动灵活，适合在狭小空间内工作，是检验各种控制方法的一个理想装置，受到广大研究人员的重视，成为具有挑战性的课题之一。两轮自平衡小车系统是一种两轮左右并行布置的系统。像传统的倒立一样，其工作原理是依靠倾角传感器所检测的位姿和状态变化率结合控制算法来维持自身平衡。本设计通过对倒立摆进行动力学建模，类比得到小车平衡的条件。从加速度计和陀螺仪传感器得出的角度。运用卡尔曼滤波优化，补偿陀螺仪的漂移误差和加速度计的动态误差，得到更优的倾角近似值。通过光电编码器分别得到车子的线速度和转向角速度，对速度进行PI控制。根据PID控制调节参数，实现两轮直立行走。通过调节左右两轮的差速实现小车的转向。制作完成后，小车实现了在无线蓝牙通讯下前进、后退、和左右转向的基本动作。此外小车能在正常条件下达到自主平衡状态。并且在适量干扰下，小车能够自主调整并迅速恢复稳定状态。关键词：自平衡陀螺仪控制调试燕山大学课程设计说明书II前言移动机器人是机器人学的一个重要分支，对于移动机器人的研究，包括轮式、腿式、履带式以及水下式机器人等，可以追溯到20世纪60年代。移动机器人得到快速发展有两方面原因：一是其应用范围越来越广泛；二是相关领域如计算、传感、控制及执行等技术的快速发展。移动机器人尚有不少技术问题有待解决，因此近几年对移动机器人的研究相当活跃。近年来，随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，所面临的环境和任务也越来越复杂。机器人经常会遇到一些比较狭窄，而且有很多大转角的工作场合，如何在这样比较复杂的环境中灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。双轮自平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的。两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、强耦合的系统，是检验各种控制方法的典型装置。同时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。因为它既有理论研究意义又有实用价值，所以两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。本论文主要叙述了基于stm32控制的两轮自平衡小车的设计与实现的整个过程。主要内容为两轮自平衡小车的平衡原理，直立控制，速度控制，转向控制及系统定位算法的设计。通过此设计使小车具备一定的自平衡能力、负载承载能力、速度调节能力和无线通讯功能。小车能够自动检测自身机械系统的倾角并完成姿态的调整，并在加载一定重量的重物时能够快速做出调整并保证自身系统的自我平衡。能够以不同运动速度实现双轮车系统的前进、后退、左转与右转等动作，同时也能够实现双轮自平衡车系统的无线远程控制操作燕山大学课程设计说明书III目录摘要......................................................................I前言.....................................................................II第1章项目任务..........................................................11.1项目概述.........................................................11.2项目内容.........................................................21.3预期结果.........................................................2第2章方案设计..........................................................22.1芯片的选择.......................................................22.2电机驱动的选择...................................................22.3陀螺仪的选择.....................................................3第3章平衡车控制原理....................................................43.1控制系统要求分析.................................................43.2平衡控制原理.....................................................53.3平衡车数学模型...................................................53.4PID控制原理.....................................................93.5PWM调速原理....................................................10第4章硬件设计.........................................................114.1电路原理图......................................................114.2芯片的电路设计..................................................114.3电机驱动的电路设计..............................................124.4陀螺仪的电路设计................................................134.5编码器的电路设计................................................14第5章平衡车结构设计...................................................155.1元件清单及成本..................................................155.2三维建模........................................................16第6章软件设计.........................................................186.1程序框图........................................................186.2源代码..........................................................18第7章实验测试.........................................................197.1keil软件简介...................................................197.2测试过程及结果..................................................197.3最终实物图......................................................20第8章市场前景调查分析..................................................21结论.....................................................................22燕山大学课程设计说明书IV心得体会.................................................................23参考文献.................................................................24致谢.....................................................................25附录1...................................................................26燕山大学课程设计说明书1第1章项目任务1.1项目概述移动机器人是机器人学的一个重要分支，对于移动机器人的研究，包括轮式、腿式、履带式以及水下式机器人等，可以追溯到20世纪60年代。移动机器人得到快速发展有两方面原因：一是其应用范围越来越广泛；二是相关领域如计算、传感、控制及执行等技术的快速发展。移动机器人尚有不少技术问题有待解决，因此近几年对移动机器人的研究相当活跃。近年来，随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，所面临的环境和任务也越来越复杂。机器人经常会遇到一些比较狭窄，而且有很多大转角的工作场合，如何在这样比较复杂的环境中灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。双轮自平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的。两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