基于单片机的两轮自平衡小车的研究与设计.docx
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1、基于单片机的两轮自平衡小车的研究与设计摘要现如今,两轮自平衡车的发展和应用越来越广泛,而且逐步成为人们的一种非常便捷的代步交通工具,在一些其他的领域也有较好的应用前景。因此,对于两轮自平衡小车的研究具有非常重要的意义。本论文介绍了基于单片机的两轮自平衡小车的研究与设计。用单片机作为中央处理器,利用MPU-6050作为两轮自平衡小车的姿态传感器来获得小车的倾角和加速度,利用编码器来获得小车的速度,将所获得的这些数据经过单片机的软件PID算法处理,最后由单片机实现对小车的电机进行PWM控制,实现对两轮自平衡小车的直立和平衡控制。关键词:单片机,姿态传感器,PID,PWM控制Researchandd
2、esignoftwowhee1se1fba1ancedvehic1ebasedonsing1echipmicrocomputerAbstractNow,thedeve1opmentandapp1icationoftwowhee1edse1fba1ancedvehic1eismoreandmorewide1y,andgradua11ybecomeaveryconvenientmeansoftransportation,insomeotherareasa1sohavegoodapp1icationprospects.Therefore,theresearchontwowhee1edse1fba1a
3、ncedvehic1ehasveryimportantsignificance.Thispaperintroducestheresearchanddesignofatwowhee1se1fba1ancingcarbasedonsing1echipmicrocomputer.Withsing1echipmicrocomputerasthecentra1processor,theMPU-6050asatwowhee1se1fba1ancingvehic1eattitudesensortoobtaintheinc1inationandtheacce1erationofthecarandusethee
4、ncodertogetthecarspeed,wi11receivethedatathroughthesoftwareofSCMPIDa1gorithmprocessing,fina11ybytheMCUtoachievethemotorofthecarcarryingoutPWMcontro1,toachievetheba1anceofthecaruprightandba1ancecontro1oftwowhee1edse1f.Keywords:Sing1echipmicrocomputer,attitudesensor,PID,PWMcontro1AbstractII第1章绪论-1-1.1
5、 论文研究的背景及意义-1-1.2 国内和国外的研究现状-1-第2章系统设计原理分析-3-2.1 平衡控制原理分析-3-2.2 两轮平衡小车数学建模-3-2.2.1 模型假设和符号说明-3-2.2.2 基于倒立摆系统的平衡车受力分析-4-2.2.3 自平衡车数学模型建立-7-第3章系统硬件设计原理-11-3.1 控制模块-11-3.2 电源模块-12-3.2.1 3.3V稳压模块-12-3.2.2 5V稳压模块-13-3.3 姿态传感器电路-13-3.4 电机驱动电路设计-14-3.5 速度检测模块-15-3.6 蓝牙模块-16-3.7 总电路图-18-第4章系统软件设计原理-19-4.1 软
6、件设计的功能和框架-19-4.2 主要算法及实现-20-4.2.1 PID控制理论-20-4.2.2 PD控制流程图-21-4.2.3 滤波原理-22-4.3 软件调试-22-第5章总结与展望-24-5.1 总结-24-5.2 展望-24-参考文献25致谢26附录127附录228I1第1章绪论1.1 论文研究的背景及意义近些年来,对于两轮自平衡小车的研究开始在美国、德国等国广泛开展。建立一些模型,提出来许多控制的方案。通过对两轮自平衡系统的优化,可应用到不同领域当中去,例如运输、交通等。这使得两轮自平衡小车有着很广阔的市场前景,如今有很多公司推出了商业化产品,并开始运营。两轮自平衡小车两轮共轴
7、、独立驱动、车身重心位于车轮轴上方,通过运动保持平衡,能够直立运动。由于两轮自平衡小车自身特别的结构,让它对于地形变化有很强的适应能力和良好的运动性能,能够在比较复杂的环境里面的工作,和传统机器人相比较,两轮自平衡小车有着以下的几个优点:(1)可以在原地任意角度旋转(2)占据空间小(3)车的结构上有很大的简化,可以把车做的更轻更小。(4)有着较小的驱动功率,能够让电池长时间供电,为环保型轻车提供了一种新的概念。(5)重心的高度对小车运动和硬件设计的限制小。(7)消耗的功率小,可工作时间长1.2 国内和国外的研究现状在1986年,日本大学教授山藤高桥最早提出了两轮自平衡机器人的概念,并制造了一个
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