基于单片机的自平衡小车设计与实现

论文总字数：19401字

摘 要

本设计是基于STM32F103C8系列单片机的自平衡两轮小车，系统由平衡车主控电路、检测电路、驱动电路、显示电路、蓝牙通信、供电等模块组成，利用陀螺仪来检测角速度，并通过PID计算和互补滤波进行数据计算融合，最终得到姿态角，基于获得的姿态数据MCU采用串级PID输出控制信号，完成对两个编码电机的实时动态控制，进而使小车始终保持直立平衡状态。经实验验证，通过无线终端可控制小车前进，后退，左右转，在遇到干扰时可以自主调整保持直立平衡，达到了系统预期效果。与传统自平衡小车对比，本设计具有结构简单、性价比高、控制灵活，系统稳定等优势。

关键词：STM32单片机；PID；MPU6050；互补滤波

Designandrealizationofself-balancingtrolleybasedonsinglechipmicrocomputer

Abstract

This design is based on stm32f103c8 series single-chip microcomputer self balancing two wheel car. The system is composed of balance car control circuit, detection circuit, drive circuit, display circuit, Bluetooth communication, power supply and other modules. The gyroscope is used to detect the angular speed, and the data fusion is carried out through complementary filtering to obtain the attitude angle. Based on the obtained attitude data, MCU uses cascade PID to output the control signal, The real-time dynamic control of the two coding motors is completed, and the trolley is kept in an upright and balanced state all the time. Through the experiment, the wireless terminal can control the car forward, backward, left-right turn, in the face of interference can be adjusted to maintain the vertical balance, achieve the desired effect of the system. Compared with the traditional self-balancing trolley, the design has the advantages of simple structure, high cost-effective, flexible control, system stability and so on.

Keywords:STM32MCU；PID；mpu6050；Complementary filtering

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3本论文主要研究内容 2

第二章 自平衡小车总体方案设计 3

2.1设计功能要求 3

2.2设计组成与方案 3

第三章 硬件设计 5

3.1主板电路 5

3.2电源电路 5

3.3状态检测电路 5

3.4主控电路 6

3.5传感器电路 8

3.6电机与驱动电路 9

3.7无线通信电路 10

3.8显示电路 11

第四章 软件设计 12

4.1程序功能需求 12

4.2程序流程设计 12

4.3自平衡控制 13

4.4 OLED屏幕显示 14

4.5无线控制 15

第五章 系统调试 16

5.1软件调试 16

5.2硬件调试 16

5.2.1 STM32最小系统板调试 16

5.2.2小车平衡运动调试 16

第六章 结束语 18

致谢 19

参考文献 20

附录 21

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

科学技术的不断进步，加快我们生活的节奏，随着工业的不断发展，以化石燃料为能源的汽车越来越多，现在已经是我们目前出行的最主要交通工具，随着车辆的增多，紧随而来而来的就是一系列问题，其中最主要的就是环境污染和交通堵塞的问题。

车辆的急剧增加，随之而来的拥堵问题现在也日益严重，工作日的早上和晚上成为拥堵的高发时间段。因车辆过多导致交通堵塞，本只有十几分钟车程可能要几倍的时间，使得上班的人们有了“忧患意识”，每天出发都要提前一两个小时，同样的下班髙峰也要晚到家许久，特别是在一些较为发达的一线二线城市，上班时间中出行时间所占的比例越来越大，更有甚至超过百分之三十，随着车辆的激增，另一个问题也日益严重，车辆行驶需要耗费极大的石油资源，我国石油资源并不丰富，2019年中国原油产量仅有1.19亿吨，远远无法满足国内石油消耗的需求，为满足内需，每年进口大量的石油燃料，中国在2018年就成为世界进口石油第一大国，由于对国外石油依赖过高，近几年清洁能源和新能源的研究越来越受到关注，渐渐成为发展的主要方向。

伴随着工业4.0的脚步声，越来越多的科学家将目光聚焦到移动机器人。平衡车以独特的优点备受关注，现在逐渐成为机器人研究者和爱好者关注的热点。经过一段时间的发展,平衡车已经日益成熟。首先两轮自平衡车结构与普通车辆不同、体积小、转弯半径小，这使得平衡车能够可以在多种地形使用，平衡车的应用正在流行开来，目前在大型场地如机场、运动馆、火车站等都可以看到平衡车的应用。

1.2国内外研究现状

两轮自平衡小车的相关研究始于二十世纪80年代，两轮自平衡体系首先是由日本东京电信大学自动化系的山藤一雄教授首先提出。1986年，该国的Kazuo Yamafuji教授突发奇想规划了一个两轮同轴、重心高高在上的模型，在这个模型中，电机和操控芯片规划在上部，靠很多个陀螺仪来监测模型的姿势。由于受当时计算机和传感器技术的绑缚，Kazuo Yamafuji的两轮自平衡模型只能沿着提前设置好的轨道行驶，无法自由控制平衡车运行方向。随着研究的不断深入和计算机、传感器等相关技术的飞速进步，自平衡车取得了进步性成果。

1999年，以韩国Kim为首的科研团队较好的解决双轮平衡车的平衡控制问题，创造性的提出线性化控制策略，并成功运用到双轮平衡车当中，实现了较好的控制效果。

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