双轮自平衡小车系统设计与制作-硬件部分

沈阳理工大学学士学位论文I摘要近几年来，随着汽车技术的快速发展，很多新兴技术涌现出来，其中就包括双轮自平衡小车技术。这项技术在很多方面都得到了体现，在交通方面施展了尤为强大的作用，其应用也逐渐深入到日常生活中，现在生活中常见的双轮自平衡电动车便是最常见的代表。本文侧重介绍以MC9S12XS128芯片为主控制器的双轮自平衡小车的设计方案。智能车采用村田公司的陀螺仪ENC-03和飞思卡尔公司的加速度计7260来协调控制，达到精确检测角度的目的，检测出小车的倾角，反馈到单片机来控制小车直立的过程。同时本智能车控制系统用PWM控制技术来驱动电机运行，控制小车直立，还采用PID控制算法使小车达到最佳的运行状态。进行正确的软件编译，下载程序完成调试后，控制系统全部完成后，真正理想的效果是，各个模块相互协调并稳定工作，能通过系统控制自动达到直立的效果，如果有适当干扰量引入，小车还可以自主恢复直立状态。同时控制系统还能够控制小车实现前进，后退等根本行动。关键词：双轮自平衡小车；MC9S12XS128芯片；PID控制算法；PWM控制沈阳理工大学学士学位论文IIAbstractInrecentyears,withtherapiddevelopmentofautomotivetechnology,manynewtechnologiesemerged,includingthetwowheeledself-balancingrobottechnology.Thistechnologyinmanyaspectshavebeenreflected,intermsoftransportationcastisparticularlypowerfulrole,itsapplicationhasgraduallypenetratedintodailylife,nowcommontwowheeledself-balancingelectricvehicleistherepresentativeofthemostcommon.Thispaperfocusesonthedesignschemeoftwowheeledself-balancedvehiclewithMC9S12XS128chipasthemaincontroller.SmartcarusesMuratagyroENC-03andFreescaleaccelerationmeter7260coordinatedcontrol,toachievethegoalofhighprecisionangleandangledetectingcar,feedbacktotheMCUtocontrolthecarupright.Atthesametime,theintelligentvehiclecontrolsystemusesPWMcontroltechnologytodrivethemotorrunning,controlthecarupright,andthePIDcontrolalgorithmtoachievethebestrunningstateofthecar.Tocorrectsoftwarecompiler,Downloadfinisheddebugging,controlsystemcompleted,isreallytheidealeffect,coordinationandstableworkofeachmodule,throughthecontrolsystemautomaticallytoerecttheeffect,iftheintroductionofappropriateamountofinterference,thecarcanalsotoindependentrecoveryofupright.Atthesametimecontrolsystemcancontrolthecartoachieveforward,backandotherbasicmovements.Keywords:Twowheeledself-balancingvehicle;MC9S12XS128chip;PIDcontrolalgorithm;PWMcontrol沈阳理工大学学士学位论文III目录1绪论..................................................................11.1课题的选题背景与意义.............................................11.2双轮自平衡车国内外发展概况.......................................11.3课题研究的主要内容...............................................22智能车系统原理分析与设计..............................................32.1控制系统原理分析.................................................32.2控制系统总体设计方案.............................................42.3双轮自平衡车的姿态检测系统.......................................52.3.1加速度计....................................................62.3.2陀螺仪......................................................62.3.3卡尔曼滤波..................................................73自平衡车系统硬件电路设计..............................................93.1MC9S12XS128单片机介绍..........................................93.2MC9S12XS128单片机最小系统电路设计.............................103.3电机驱动模块电路设计............................................133.3.1驱动芯片介绍...............................................133.3.2驱动电路设计...............................................133.4电源管理模块电路设计............................................133.4.1电源的分类.................................................143.4.2双轮自平衡车电源电路设计...................................143.5倾角传感器电路设计..............................................153.5.1加速度计电路设计...........................................153.5.2陀螺仪放大电路设计.........................................153.6速度测量模块设计................................................163.7辅助调试电路设计................................................174自平衡车系统软件设计.................................................194.1系统软件总体结构................................................194.2基于PID算法的实现..............................................20沈阳理工大学学士学位论文IV4.2.1PID分类....................................................204.2.2比例积分微分各部分介绍.....................................204.2.3PID参数的整定..............................................214.3双轮自平衡车直立模块软件设计....................................224.4双轮自平衡车速度控制模块软件设计................................224.5电机转速的控制..................................................245自平衡车系统的安装与调试.............................................275.1小车整体结构的安装..............................................275.1.1速度传感器的安装...........................................285.1.2倾角传感器和陀螺仪的安装...................................285.2系统的调试工具..................................................295.3自平衡车系统的硬件调试..........................................305.3.1加速度计和陀螺仪的调试.....................................305.3.2电机驱动模块的调试.........................................315.3.3速度编码器的调试...........................................315.4自平衡车系统的静态调试..........................................315.5自平衡车系统的动态调试..........................................316总结与展望...........................................................336.1总结............................................................336.2展望............................................................33致谢...................................................................34参考文献................................................................35沈阳理工大学学士学位论文11绪论1.1课题的选题背景与意义近些年来随着我国科学技术的飞速进步，自动化技术也随之越来越普及，深入到人们的生活中，双轮自平衡小车便是一种高新技术的集成体。双轮自平衡小车是一个归纳着电子技术、机械、计算机等多门技术部分的高新技术手段，随着各有关领域范畴的飞快进步，它不单单拥有理论科学上的研究意义，甚至是代表着一个国家的综合科学实力。现代的工业汽车虽