基于arm的两轮自平衡车模型系统设计课程设计.pdf

课 程 设 计 说 明 书 学生姓名: 学 号： 学 院: 专 业: 题 目: 基于ARM的两轮自平衡车模型系统设计 摘 要 近年来，两轮自平衡车的研究与应用获得了迅猛发展。本文提出了一种两轮自平衡小 车的设计方案，采用陀螺仪L3G4200 以及MEMS加速度传感器MMA7260构成小车姿态检测 装置，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。系统选用飞思卡尔32 位单片机Kinetis K60为控制核心，通过滤波算法实现车身控制，人机交互等。 整个系统制作完成后，各个模块能够正常并协调工作，小车可以在无人干预条件下实 现自主平衡。同时在引入适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：两轮自平衡 陀螺仪 姿态检测 卡尔曼滤波 数据融合 目 录 1 课程设计目的 1 2 设计内容和要求 1 2.1 设计要求 1 2.2 研究意义 1 2.3 研究内容 2 3 设计方案及实现情况 2 3.1 两轮平衡车的平衡原理 2 3.2 系统方案设计 3 3.3 系统最终方案 6 3.4 系统软件设计 9 3.5 电路调试 16 4 课程设计总结 18 参 考 文 献 19 附 录 20 致 谢 21 1 课程设计目的 （1）掌握嵌入式系统的一般设计方法和设计流程； （2 ）学习嵌入式系统设计，掌握相关IDE 开发环境的使用方法； （3 ）掌握ARM 的应用； （4 ）学习掌握嵌入式系设计的全过程； 2 设计内容和要求 2.1 设计要求 （1）学习掌握基于ARM Cortex-M4 内核的Kinetis K60 系列单片机的工作原理及应用； （2 ）学习掌握加速度计、陀螺仪的工作原理及应用； （3 ）设计基于PID 控制的两轮自平衡车模型系统的工作原理图及PCB 版图； 2.2 研究意义 近年来，随着电子技术的发展与进步，移动机器人的研究不断深入，成为目前科 学研究最活跃的领域之一，移动机器人的应用范围越来越广泛，面临的环境和任务也 越来越复杂，这就要求移动机器人必须能够适应一些复杂的环境和任务。比如，户外 移动机器人需要在凹凸不平的地面上行走，有时环境中能够允许机器人运行的地方比 [1] 较狭窄等。如何解决机器人在这些环境中运行的问题，逐渐成为研究者关心的问题 。 两轮自平衡机器人的概念正是在这样一个背景下提出来的，这种机器人区别于其 他移动机器人的最显著的特点是：采用了两轮共轴、各自独立驱动的工作方式(这种驱 动方式又被称为差分式驱动方式)，车身的重心位于车轮轴的上方，通过轮子的前后移 动来保持车身的平衡，并且还能够在直立平衡的情况下行驶。由于特殊的结构，其适 应地形变化能力强，运动灵活，可以胜任一些复杂环境里的工作。 两轮自平衡机器人自面世以来，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机器人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。 1 2.3 研究内容 本课题设计了一款两轮自平衡小车，研究了车身姿态检测中陀螺仪与加速度传感器的 互补特性，并根据其特性比较并设计滤波算法，包括卡尔曼滤波等常用滤波算法。PID 控 制算法的实现以及直流电机调速的研究。具体包括： (1) 机器人本体设计：包括机械，重心调整，电气系统设计等，为进一步研究提供良 好的平台； (2) 信号调理及控制部分电路设计：陀螺仪输出信号需要经过进一步滤波放大，因此 需要设计信号调理电路，同时控制核心需要构建相关输入输出模块及人际交互设备，因此 需要对主控单元电路进行设计。同时还需要设计直流电机驱动电路。 (3) 基于卡尔曼滤波的数据融合：由于陀螺仪测量的角速度只在短时间内稳定而加速 度