两轮小车移动距离的高精度控制系统设计

论文总字数：22719字

摘 要

本文介绍了一种以STM32F103R作为主控模块、LV8731作为驱动、MPU6050作为传感器为主要架构的两轮平衡小车，并通过卡尔曼滤波算法将陀螺仪和加速度计信号融合在一起，计算出小车倾角和角速度的最优估计值，然后通过数字PID算法控制驱动电机的PWM信号来控制两轮小车的平衡，构成了两轮平衡小车的姿态检测装置。最后将传感器所测出来的两轮小车的实际值与根据加速度a与移动距离s和时间t的函数关系计算出理论值作比较，计算出该系统的实际值与理论值的相对误差，从而实现所需要的功能系统。实际测试表明，设计出来的小车可以实现本课题所需要的高精度距离控制。

关键词： 姿态检测；STM32F103R；MPU6050；卡尔曼滤波器；PID算法

Design and verification of digital programmable function Two high-precision control system design car movement distance

Abstract

This paper introduced a main control module, LV8731 to STM32F103R as drive, this is as a sensor for the main structure of the two rounds of the balance of the car, and Kalman filter algorithm by the gyroscope and accelerometer signal fusion together, calculate a car angle and angular velocity of the optimal estimate, then through the digital PID algorithm control PWM signal for driving the motor to control the balance of the two wheel vehicle, constitute the attitude detection device of two wheeled balancing robot. Finally sensor out of two wheeled car the actual value and theoretical value for comparison would be calculated according to the acceleration a and the moving distance s and time t as a function of the relationship between, calculated the actual value and the theoretical value of the relative error, so as to realize the required function of the system. The actual test shows that the design of the car can achieve the task of high precision distance control.

Keywords: Attitude detection；STM32F103R；MPU6050；Kalman filter；PID algorithm

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 引 言 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 1

第二章 基本原理与方案论证 3

2.1方案论证 3

2.2设计要求 3

2.3理论基础 3

2.3.1小车平衡控制原理 3

2.3.2小车的动力学模型 4

2.3.3两轮小车移动距离的高精度控制系统设计物理学原理 4

第三章 硬件设计 6

3.1 STM32F103R控制器系统 6

3.1.1 STM32F103R控制器系统构成 6

3.1.2 I2C接口 7

3.1.3 STM32F103R电路图 13

3.2 LV8731电机驱动模块 15

3.2.1步进电机概述 15

3.2.2LV8731芯片 15

3.2.3 LV8731驱动电路 18

3.3传感器芯片电路设计 19

3.3.1传感器芯片MPU6050 19

3.3.2 MPU6050电路图 25

第四章 软件设计 26

4.1软件设计思路 26

4.2 STM32103R软件设计 26

4.2.1 STM32103R中断介绍 26

4.2.2 STM32103R定时/计数器介绍 27

4.3卡尔曼滤波 27

4.4 PID算法 28

4.5 Keil MDK 软件 29

第五章 实验结果分析 31

5.1实验步骤 31

5.2实验数据分析 31

第六章 结束语 33

致 谢 34

参考文献(References) 35

附 录 36

第一章 引 言

1.1研究背景与意义

随着电子科学及电子技术的不断发展，智能机器的研究和开发越来越重要，应用也越来越广泛，不论是在工业军事等工业，还是平时的普通生活，都能看到越来越多的智能化机器被应用各种各样各种领域，而两轮平衡小车作为其中的一类，也收到了极大的研究和开发。随着经济的不断发展，越来越多的两轮平衡小车被用于平时的生活和工作中，因为其方便携带，行动方便，切对地形的要求较低，很多人逐渐将两轮平衡小车作为一种代步工具，所以整个两轮平衡小车有着越来越大的市场发展空间。而在工业开发方面，由于两轮平衡小车可以适应于多种恶劣的地形和环境，所以越来越多种类的两轮平衡被研究出来，以满足各种各样的市场需求。而对两轮平衡小车的移动距离的精确控制也越来越被需要。

两轮平衡小车移动距离的高精度控制系统系统正是在这样一个背景下提出来的，两轮平衡小车具有的最显著的特点是：小车虽然是两轮共轴、但是却具有分别驱动左右轮的工作方式(这种独特的驱动方式又被人称为差分式驱动方式)，车身的重心是位于位于小车车轮轴的上方，通过整个系统的的姿态检测来实现小车的自平衡，在保持平衡的情况下还可以去实现行走。

两轮平衡小车自面世以来，越来越受到研究者的关注和不断改进，不仅因为其具有不同于以往小车的外形和结构，更重要的是因为其自身的具有的不确定性使得很多的研究者将其作为验证控制理论和控制方法的良好的模型，具有很高的研究价值。两轮平衡小车移动距离的高精度控制是工程性的实践课题，结合了多种高技术、高精确度的前沿技术，例如：嵌入式技术，传感器技术等。可以将所学到的只用用于工程实践中，进一步提高对理论知识的认知程度和对实际操作的熟练程度。

基于此，本文提出了一个以STM32F103R芯片为控制核心，配合陀螺仪芯片MPU6050，驱动器芯片LV8731来完成两轮小车移动距离的高精度控制系统。

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