两轮自平衡电动车(附件)
摘 要摘 要两轮平衡车是一种新型的交通工具，它用两个车轮并排支撑的新结构取代传统的两个车轮前后支撑的方式，就像一种两轮平行的机器人一样。这种两轮平衡车具有体积小，动作灵活，操作简单的特点，在各个领域都有非常广泛的应用前景。本文以16位微控制器MSP430F149为基础，对平衡车的驱动系统和控制系统做出设计并进行改进和优化。经过设计的平衡车驱动电路已经可以实现基本动作，然而当平衡车在加速，拐弯以及上坡时会产生超过正常工作时的尖峰电流，此电流可能对主控板造成损坏，因此本文在主电路的基础上增加了过流保护模块，以保证平衡工作的安全性。平衡车的姿态结算一般使用的是IDG650和ADXL325联合组成的模块，然而两者都为模拟器件，受环境和自身的影响，工作不稳定，尤其陀螺仪采集的信号存在严重的温漂，使得平衡车的平衡位置不固定，因此本文选择使用新型数字运动处理传感器MPU6050并设计其驱动电路，此芯片具有较高的稳定性并且可以获得精确的姿态数据，使能够更加准确的探测平衡车的状态。平衡车的控制系统一般采用的是线性PID控制，然而此控制策略的缺点是电机能耗和损耗大，鲁棒性低，并且在平衡位置处容易产生自激震荡，因此本文结合PID控制相关资料，采用非线性PD控制器来控制平衡车，实验表明此控制器对平衡车这种非线性系统具有很好的适应性，产生了优异的控制效果。本文完成了改进后的主控制电路原理图和PCB图的绘制，并对其进行了实验测试，改进后的平衡车系统工作更加安全可靠。关键词：两轮自平衡车；单片机；过流保护电路；运动处理器；非线性PD控制器 目 录
第一章 绪 论 1
1.1 两轮平衡车的研究意义 1
1.2两轮平衡车的国内外发展状况 1
1.2.1国外研究成果 1
1.2.2国内研究成果 2
1.3本文的主要工作 3
第二章 平衡车驱动系统优化 4
2.1平衡车的驱动系统 4
2.1.1直流有刷电机 4
2.1.2电机驱动电路 4
2.1.3 PWM波控制电枢电压 5
2.2 电流的检测 6
2.2.1 电流检测技术分类 6
2.2.2 电流检测的关键因素 7
2.2.3 电流检
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作 3
第二章 平衡车驱动系统优化 4
2.1平衡车的驱动系统 4
2.1.1直流有刷电机 4
2.1.2电机驱动电路 4
2.1.3 PWM波控制电枢电压 5
2.2 电流的检测 6
2.2.1 电流检测技术分类 6
2.2.2 电流检测的关键因素 7
2.2.3 电流检测电阻的要求 7
2.2.4 电流检测电阻的选型 8
2.3 过流保护 9
2.3.1 过流保护电路的设计 9
2.3.2 Multisim电路仿真测试 9
2.3.3 过流保护电路原理图 11
2.3.4 过流保护电路PCB图 12
2.4本章小结 12
第三章 平衡车姿态解算方案优化 13
3.1平衡车的控制模型 13
3.1.1平衡车的控制方程 13
3.1.2 角度和角速度获取方法 13
3.1.3角度和角速度的数据融合 14
3.2 使用新型运动处理传感器MPU6050 15
3.2.1 MPU6050芯片 15
3.2.2 MPU6050模块原理图设计 15
3.2.3 MPU6050模块PCB图设计 16
3.3 IIC总线协议 17
3.3.1 IIC协议的定义 17
3.3.2 MSP430模拟IIC接口 17
3.4软件滤波 18
3.4.1卡尔曼滤波算法 18
3.4.2卡尔曼滤波后的结果 18
3.5 本章小结 19
第四章 平衡车控制方案优化 20
4.1平衡车的控制系统 20
4.1.1单片机选型 20
4.1.2单片机供电电路 21
4.1.3单片机外围电路原理图 21
4.2平衡车的控制策略 22
4.2.1 PID控制 22
4.2.2 传统PD控制 23
4.2.3 非线性PD控制 23
4.2.4 PD参数调节 24
4.2.5 控制流程设计 24
4.2.6 中断服务程序的框架 24
4.3 平衡车的控制电路图 24
4.3.1平衡车的控制电路原理图 24
4.3.2平衡车的控制电路PCB图 25
4.5 本章小结 26
第五章 平衡车驱动系统的程序设计 27
5.1 系统初始化程序 27
5.2 PWM初始化程序 28
5.3中断处理程序 28
5.4 主程序 29
第六章 平衡车系统实验测试 31
6.1主电路板制作 31
6.1.1打样好的电路板 31
6.1.2焊接好的电路板 31
6.2驱动系统实验平台 32
6.3电机输出端测试 33
6.4平衡车实测实验 34
6.5本章小结 35
结论 36
致谢 37
参考文献 38
附录 39
第一章 绪 论
1.1 两轮平衡车的研究意义
近年来，经济高速发展的同时，伴随着的是拥堵的交通和污染愈来愈严重的空气，普通汽车对环境的破坏是显而易见的，而两轮电瓶车又显得有些笨重，所以急需要一件更加绿色环保无污染的交通工具。在这种情况下，一种全新的设计理念两轮平衡车被提出来了。两轮平衡车作为一件新颖的交通工具，它用两个车轮并排支撑的新结构取代传统的两个车轮前后支撑的方式，使车体能够直立移动，并且体积小，动作灵活，操作简单，深受年轻人的喜爱[1]。
两轮平衡车外观上简约时尚，能源上采用可充电电池绿色环保，控制上安全稳定，操作上简单方便[2]。因为它的价值不仅在于理论的研究创新还在于实际生活中的应用，所以非常多的机器人技术研发实验室高度密切关注两轮自平衡小车的研究进展状况。
1.2两轮平衡车的国内外发展状况
在各国，两轮平衡车都发展迅速，各国研究人员都提出了许多让平衡车控制平衡的方案。但总体来说，美国和日本走在了这领域的前列，他们的技术领先于其他国家。就国内而言，这方面的研究还刚刚起步，属于初级阶段。
1.2.1国外研究成果
最早提出两轮平衡车设计思想的是日本的Kazuo?Yamafu?ji教授，他当时设计的模型也就是平衡车的雏形，是一个两轮同轴、重心很高的行走机器人，不过这个机器人只能按照事先摆好的轨道运行，机器人身上有很多的传感器来检测自身的姿态以调整自身的平衡[3]。
2002年初, 美国发明家Dean Kamen成功发明两轮平衡车的经典“Segway”产品，其外观如图11所示。“Segway”已然成为一个更加融入生活中的有很大实用性质的商业化产品。驾驶者可以平稳地站在平衡车台上，并且保持平稳的姿态在非常多复杂的路面上畅行[4]。它不管在何种条件下都可以保持直立，原因是它采用六个传感器收集角度数据，进行姿态解算和调节。
图11：SEGWAY
1.2.2国内研究成果
国内的科研人员在这领域也倾注了很多努力。
2003年，台湾国立中央大学采用DSP2812作为主控制器，设计了一辆两轮自平衡小车，如图12所示。
图12：两轮自平衡机小车 图13：逢甲大学制作的小车
2004年，中国科学技术大学利用模糊算法混合遗传算法的新策略来控制平衡车的平衡，取得了不错的控制效果。
2005年，北京邮电大学在设计时大大降低了两轮平衡车的重心，使重心低于电机轴线，用陀螺仪做传感器来侦测平衡车的位置状态，成功控制平衡[5]。
2008年，台湾逢甲大学成功研制出电动两轮平衡车，如图13所示。
2012年，一款名叫“Robin”的智能平衡车亮相于中国南京国际车展上，徒
第一章 绪 论 1
1.1 两轮平衡车的研究意义 1
1.2两轮平衡车的国内外发展状况 1
1.2.1国外研究成果 1
1.2.2国内研究成果 2
1.3本文的主要工作 3
第二章 平衡车驱动系统优化 4
2.1平衡车的驱动系统 4
2.1.1直流有刷电机 4
2.1.2电机驱动电路 4
2.1.3 PWM波控制电枢电压 5
2.2 电流的检测 6
2.2.1 电流检测技术分类 6
2.2.2 电流检测的关键因素 7
2.2.3 电流检
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
作 3
第二章 平衡车驱动系统优化 4
2.1平衡车的驱动系统 4
2.1.1直流有刷电机 4
2.1.2电机驱动电路 4
2.1.3 PWM波控制电枢电压 5
2.2 电流的检测 6
2.2.1 电流检测技术分类 6
2.2.2 电流检测的关键因素 7
2.2.3 电流检测电阻的要求 7
2.2.4 电流检测电阻的选型 8
2.3 过流保护 9
2.3.1 过流保护电路的设计 9
2.3.2 Multisim电路仿真测试 9
2.3.3 过流保护电路原理图 11
2.3.4 过流保护电路PCB图 12
2.4本章小结 12
第三章 平衡车姿态解算方案优化 13
3.1平衡车的控制模型 13
3.1.1平衡车的控制方程 13
3.1.2 角度和角速度获取方法 13
3.1.3角度和角速度的数据融合 14
3.2 使用新型运动处理传感器MPU6050 15
3.2.1 MPU6050芯片 15
3.2.2 MPU6050模块原理图设计 15
3.2.3 MPU6050模块PCB图设计 16
3.3 IIC总线协议 17
3.3.1 IIC协议的定义 17
3.3.2 MSP430模拟IIC接口 17
3.4软件滤波 18
3.4.1卡尔曼滤波算法 18
3.4.2卡尔曼滤波后的结果 18
3.5 本章小结 19
第四章 平衡车控制方案优化 20
4.1平衡车的控制系统 20
4.1.1单片机选型 20
4.1.2单片机供电电路 21
4.1.3单片机外围电路原理图 21
4.2平衡车的控制策略 22
4.2.1 PID控制 22
4.2.2 传统PD控制 23
4.2.3 非线性PD控制 23
4.2.4 PD参数调节 24
4.2.5 控制流程设计 24
4.2.6 中断服务程序的框架 24
4.3 平衡车的控制电路图 24
4.3.1平衡车的控制电路原理图 24
4.3.2平衡车的控制电路PCB图 25
4.5 本章小结 26
第五章 平衡车驱动系统的程序设计 27
5.1 系统初始化程序 27
5.2 PWM初始化程序 28
5.3中断处理程序 28
5.4 主程序 29
第六章 平衡车系统实验测试 31
6.1主电路板制作 31
6.1.1打样好的电路板 31
6.1.2焊接好的电路板 31
6.2驱动系统实验平台 32
6.3电机输出端测试 33
6.4平衡车实测实验 34
6.5本章小结 35
结论 36
致谢 37
参考文献 38
附录 39
第一章 绪 论
1.1 两轮平衡车的研究意义
近年来，经济高速发展的同时，伴随着的是拥堵的交通和污染愈来愈严重的空气，普通汽车对环境的破坏是显而易见的，而两轮电瓶车又显得有些笨重，所以急需要一件更加绿色环保无污染的交通工具。在这种情况下，一种全新的设计理念两轮平衡车被提出来了。两轮平衡车作为一件新颖的交通工具，它用两个车轮并排支撑的新结构取代传统的两个车轮前后支撑的方式，使车体能够直立移动，并且体积小，动作灵活，操作简单，深受年轻人的喜爱[1]。
两轮平衡车外观上简约时尚，能源上采用可充电电池绿色环保，控制上安全稳定，操作上简单方便[2]。因为它的价值不仅在于理论的研究创新还在于实际生活中的应用，所以非常多的机器人技术研发实验室高度密切关注两轮自平衡小车的研究进展状况。
1.2两轮平衡车的国内外发展状况
在各国，两轮平衡车都发展迅速，各国研究人员都提出了许多让平衡车控制平衡的方案。但总体来说，美国和日本走在了这领域的前列，他们的技术领先于其他国家。就国内而言，这方面的研究还刚刚起步，属于初级阶段。
1.2.1国外研究成果
最早提出两轮平衡车设计思想的是日本的Kazuo?Yamafu?ji教授，他当时设计的模型也就是平衡车的雏形，是一个两轮同轴、重心很高的行走机器人，不过这个机器人只能按照事先摆好的轨道运行，机器人身上有很多的传感器来检测自身的姿态以调整自身的平衡[3]。
2002年初, 美国发明家Dean Kamen成功发明两轮平衡车的经典“Segway”产品，其外观如图11所示。“Segway”已然成为一个更加融入生活中的有很大实用性质的商业化产品。驾驶者可以平稳地站在平衡车台上，并且保持平稳的姿态在非常多复杂的路面上畅行[4]。它不管在何种条件下都可以保持直立，原因是它采用六个传感器收集角度数据，进行姿态解算和调节。
图11：SEGWAY
1.2.2国内研究成果
国内的科研人员在这领域也倾注了很多努力。
2003年，台湾国立中央大学采用DSP2812作为主控制器，设计了一辆两轮自平衡小车，如图12所示。
图12：两轮自平衡机小车 图13：逢甲大学制作的小车
2004年，中国科学技术大学利用模糊算法混合遗传算法的新策略来控制平衡车的平衡，取得了不错的控制效果。
2005年，北京邮电大学在设计时大大降低了两轮平衡车的重心，使重心低于电机轴线，用陀螺仪做传感器来侦测平衡车的位置状态，成功控制平衡[5]。
2008年，台湾逢甲大学成功研制出电动两轮平衡车，如图13所示。
2012年，一款名叫“Robin”的智能平衡车亮相于中国南京国际车展上，徒
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