1. 研究目的与意义
一、课题背景与意义
课题背景：两轮自平衡小车自从出现以来，迅速便成为了一个平台，为研究各种控制理论作出了巨大贡献，非常具有特殊意义。它作为市面上的交通工具之一 ,它的排列方式和其他车都不一样,而是采用两轮并排固定的思想。两轮自平衡控制系统是一种两轮左右平行的方法,像传统的倒立摆一样 ,本身是一个不稳定的个体,必须使用一些控制方法才能使其稳定。
课题意义：两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器人系统,它主要是以32位ARM处理器STM32系列单片机为控制核心，以MPU-6050传感器为姿态检测部件进行两轮平衡车设计。两轮平衡小车控制的关键是姿态控制,姿态控制的核心是控制算法。由于陀螺仪和加速度计在测量时存在噪声干扰和随机漂移误差,需要采用卡尔曼滤波算法对陀螺仪和加速度计数据进行融合,补偿传感器测量产生的误差,计算出小车倾角与角速度的最优估计值。并以最优姿态角和小车速度为反馈量构成双闭环控制,利用PID控制算法实现小车系统的自平衡控制。2. 课题关键问题和重难点
二、课题拟解决的关键问题及难点
关键问题具体内容如下:平衡控制是其中最主要的问题，两轮平衡小车在它的整个运动控制活动中，可以简要分为平衡控制、速度控制以及方向控制。
1.平衡小车作为一个控制对象，可以简化地把它看作两个电机的转动速度和转动方向控制，小车的直立控制和方向控制是直接通过控制小车两个驱动电机完成的。
3. 国内外研究现状（文献综述）
三、文献综述
近年来，随着科技的不断发展，作为一种环保型新型简易代步工具，平衡车因为操作简单、外形时尚、环保低碳而备受市场的青睐，更是许多年轻人疯狂追棒的对象，这不仅是因为它绚丽的外形、科技感很强的设计，还在于它能提高我们的出行效率、低碳出行保护环境，放松我们的身心锻炼我们的身体。我通过查阅相关两轮平衡小车的文献及资料。发现它与我们日常生活息息相关，同时在实际生活中也有不少应用。为顺利开展该课题，围绕两轮自平衡小车在寻踪检测方面的应用，我查阅了一些著名的学术期刊杂志和专业书籍，检索了一些比较好的专业网站，收集了相关的知识要点，并且进行了仔细的阅读和研究，研究结果如下：
一、国内外研究发展现状
我们从目前国内外的研究和发展状况两个方面来看。 近年来，两轮自平衡小车的研究开始在美国、日本、瑞士等国得到迅速的发展。建立了多个实验原机型，提出来众多解决平衡控制的方案，并对原机型的自动平衡性能与运动特性进行了验证。通过对两轮自平衡系统的改造，可快速方便的应用到众多环境中去，如承载、运输，代步等。这其中蕴藏着巨大的商机，相应有些国外公司现在已经推出了商业化产品，并且已经投放到了市场[1]。
在国外研究方面，1986年，日本电通大学教授山藤高桥最先提出了两轮自平衡机器人的概念，并制造了一个在导轨上的两轮倒立摆机器人。这个基本的概念就是用数字处理器来侦测平衡的改变，然后以平行的双轮来保持机器的平稳。这款被山藤高桥称为平行自行车的机器人开创了两轮自平衡机器人研究的先河。同时它也具备了两轮自平衡小车的基本功能，而在早前的欧美国家，1997年，美国华盛顿大学的Glen HJorgensen等人提出了设计一种新型智能轮式座椅的构想，利用倒立摆的结构形式，建立了可以通过不规则地形E两轮同轴机构横型，通过仿真验证了设计的合理性。对于日后两轮自平衡小车的发展有着长远意义[2]。
我们站在另一个角度从国内研究方面来看，我国在两轮自平衡机器人方面的研究也取得了一定的成就，西安电子科技大学研究出了自平衡两轮机器人，它是一种两轮式左右并行布置结构的自平衡系统。它利用伺服放大器ADS作为控制器，选择两个Maxson电机作为执行元件，采用自适应神经模糊控制器对小车这一非线性对象进行大范围控制，从而实现系统的自平衡；哈尔滨工业大学也有类似的双轮直立自平衡机器人，该系统采用DSP作为控制核心[10]。车体倾斜角度检测采用加速度传感器和陀螺仪。利用PWM技术动态控制两台直流电机的转速。基于这些完备而可靠的硬件设计，使用了一套独特的软件算法，实现了该系统的平衡控制[3]。
2003年，中国科技大学層运武、张培仁等成功研制了自平衡两轮代步电动车Free Mover（图一）。其目的是为短距离运输提供一个可靠、便捷、环保的新型交通工具。Free Mover转弯半径为零，可以在小空间范围内灵活运动，无利车系統，整车质量约30公斤。通过驾驶者身体的前倾与后倾实现了车子的自动加速、减速，通过控制手柄，可原地转弯任意角度。时速可达10公里，连续行驶里程约30公里[4]。
图一 自平衡两轮代步电动车Free Mover
近十年来，两轮自平衡机器人引起同外许多研究机构和机器人爱好者极大关注，各种基于不同目的、不同设计方案和控制策略的自平衡系统相继而生[12]。在这方面国外的研究比较超前，研制出了一些具有代表性的机器人，国内的研究基本上处于理论研究与实践的初期，只开发出了少数的实验原型机。中国科学技术大学自动化系和力学系多位教授、博导、博士、硕士研究生和本科生联合研制完成的科研成果，又名自平衡电动代步车，是实用的两轮自动平衡车，己能实用化，两轮自平衡机器人是将倒立摆原理移植到移动机器人上的概念。关于倒立摆的研究多年来国内外已经研究非常成熟，其文献也相当之多，然而更重要的是如何将倒立摆有效地应用在移动机器人上[5]。
以上是我从国内外两轮自平衡小车的研究现状展开的介绍，这些例子都对课题的研究提供了很好的指导作用。然而，这些机器人的有关资料中并没有对机器人速度控制的详细介绍。
而基于小车多功能技术整合方面，相关文献提到了一些问题关于怎样设计出一款可以独立行走的双轮自平衡小车，一个集动态决策和规划、环境感知、行为控制和执行等多种功能于一体的综合复杂系统，其关键是在解决自平衡的同时，还能够适应在各种环境下的控制任务。通过运用外速度传感器、角速度传感器等，可以实现小车的平衡自主前进。从而使小车变得多功能化[6]。
另一个基于车身结构化的方面，文献中涉及到能够实现在原地回转和任意半径的转向，有更加灵活易变的移动轨迹很好地弥补了传统多轮布局的缺点；具有占地面积小的优点，能够在场地面积很小或者要求灵活运输的场合上使用；车的结构上有很大的简化，可以把车做的更轻更小；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；小车的平衡是个动态过程；小车在平衡点附近不停地变化进行调节以保持平衡；重心的高度对小车运动和硬件设计的限制小。多轮(三轮或以上)移动小车虽然可以稳定地平衡，可是重心过高则小车启动或急停时，有倾倒的危险[7]。因此重心必须要求很低，设计时总是拉大小车的水平截面积，降低高度。这样会造成小车体积变大，质量增加，某些功能会受到限制。两轮自平衡移动小车却无这方面的约束，重心的高低引起的不平衡已经通过动态平衡原理解决。因此重心的高低无严格限制，节省占地面积，可用在场地面积较小或要求灵活运输的场合；同时驱动功率较小，为电池长时间供电提供了可能，为环保轻型车提供了一种新的思路。
在查阅文献[8]中，其中还提及关键的原理技术即陀螺力矩原理绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺（Top）。通常所说的陀螺是特指对称陀螺(图2)，它是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体，其几何对称轴就是它的自转轴。 由苍蝇后翅（特化为平衡棒）仿生得来。在一定的初始条件和一定的外力矩在作用下，陀螺会在不停自转的同时，还绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是陀螺的旋进（Precession），又称为回转效应（Gyroscopic effect）。陀螺旋进是日常生活中常见的现象，许多人小时候都玩过的陀螺就是一例。人们利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪（Gyroscope），它在科学、技术、军事等各个领域有着广泛的应用。比如：回转罗盘、定向指示仪、炮弹的翻转、陀螺的章动、地球在太阳（月球）引力矩作用下的旋进（岁差）等。'控制力矩陀螺''Control Moment Gyroscopes''CMG', 是航天器上常用的姿态调整执行器,原理是当给一个陀螺垂直于其旋转轴的扭矩时, 会产生一个垂直于旋转轴且垂直于扭距轴的进动力矩。
图二 对称陀螺
最后我们还需要总结相关的设计方案方法，设计一个以STM32单片机为控制器的自平衡小车，系统以惯性传感器MPU6050采集小车的姿态信息，以直流减速电机JGA25-371自带的编码器采集小车的速度信息，单片机通过PID算法把采集到的数据进行处理后输出小电流PWM信号，TB6612FNG电机驱动模块对信号进行放大后把信号输出给电机，对电机进行控制以保持平衡[11]。
[1] 徐国华，谭民.移动机器人的发展现状及其趋势[J].机器人技术与应用，2001
[2] 梅晓榕.自动控制元件及线路[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004
[3] 刘斌.两轮自平衡小车软硬件研发与基于模糊线性化模型的变结构控制研究[D].西安电子科技大学工学硕士学位论文.2009
[4] 刘金琨.智能控制[M].北京：电子工业出版社，2005
[5] 张琛.直流无刷电机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2009.
[1] 梁华，李晓虹，杨光祥. 两轮自平衡机器人动力学模型分析及 PID 控制方法研究[J].重庆师范大学学报（自然科学版），2016
[2] 冯智勇，曾瀚，张力，等. 基于陀螺仪及加速度计信号融合的姿态角度测量[J].西南师范大 学学报自然科学版，2011
[3] 王素青，熊维堂. 基于STM32的两轮自平衡小车系统设计[J].实验室研究与探索，2016
[4] Two Balanced Car LQR Algorithm Achieved Based on LabVIEW [J]. Sun Jun,Liu Hai Z he.Applied Mechanics and Materials . 2012 (127)
[10] Modeling of self-tilt-up motion for atwo-wheeled inverted pendulum [J] . Miao,Shouhong. The Industrial Robot . 2011 (1)：76-85
[11] 张圆圆,黄天宇.基于卡尔曼滤波与PD两轮平衡小车的控制研究[J].装备制造技术,2015(06):5-7 11.
[12] 李姿景,张具琴,于俊杰,职宏霖. 基于单片机的两轮平衡车设计[J].电子测量技术,2020,43(23):1-5.
[13] 王素青,熊维堂.基于STM32的两轮自平衡小车系统设计[J].实验室研究与探索,201 6,35(05):146-1504. 研究方案
四、方案（设计方案、研制方案、研究方案）设计及论证
充分利用已有资料、图书馆书库资料、图书馆电子资源库以及互联网上的资源库，通过一切途径浏览有关资料文献，并对与设计有关的知识和文献资料进行汇总、归纳、创新，并结合设计任务构思设计方案。根据任务和实际要求，自平衡小车系统将利用主控模块、电机驱动模块、MPU6050模块、蓝牙通信模块、降压模块等几大模块为主的硬件来实现。
系统框图如图三所示
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蓝牙通信模块
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降压 模块 |
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MPU6050模块 |
| 主控 模块 |
图三 系统框图
同时，单片机的选择也有很多，比如51单片机、MSP430单片机、STM32单片机，但是其中STM32的开发方式是最多的，而且支持在各种平台上进行开发，并且相关文献资料及参考资料在互联网上的量也是最多的。所以更加符合本次的设计制作。
系统采用STM32单片机为控制核心搭建最小系统电路，该核心板体积较小，内部有三路通用定时器和一路高级定时器，并带有3路串口和两路IIC/SPI输出，比较适合用来做平衡小车的主控。
使用MPU6050模块（图四）是全球首例集成的传感器运动组件，内置了运动融合引擎，同时它的电源供应十分灵活，电源供电范围为2.375至3.46v.采用MPU6050陀螺仪搭建倾角传感器信号调理电路，使用的是IIC通信，结合DMP库比较容易获取角度。从而方便易于设计。
图四 MPU6050模块
一、控制模块
方案一：采用STC12C5A60S2单片机作为主控制器。
STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机。它是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合，最大工作频率为35MHz。
方案二： 采用STM32F103C8T6单片机（如图五所示）作为主控制器。
STM32F103C8T6是意法半导体公司生产的增强型32位ARM微处理器，其内核是Cortex-M3。内部自带64KB FLASROM 和20KB RAM,最大工作频率为72MHZ. 设计中需要通过不断的调整小车的重心，需要较高的工作频率。
STM32F103C8T6的工作频率相比STC12C5A60S2更高，而且价格与STC12C5A60S2单片机接近。在价格接近的前提下，选择STM32F103C8T6芯片能大大提高系统的稳定性。
图五 STM32芯片
二、姿态检测模块
方案一：加速度计MMA7660 陀螺仪ENC-03M 采用陀螺仪和加速度计的组合。
陀螺仪的动态响应好，加速度计的静态响应好，两者进行姿态测量时都存在误差，将两者组合使用，可以减少误差的影响，提高精度。需要外接ADC。
方案二：采用MPU6050。
MPU6050（如图六所示）是InvenSense公司推出的全球首款整合性6轴运动处理组件，它集成三轴陀螺仪和三轴加速度传感器于一体，还自带一个可拓展的数字运动处理器DMP。三轴陀螺仪和三轴加速度计各有三个16位ADC，把它测量来的模拟量转化为数字量输出。
相较于加速度计和陀螺仪的多组件方案，MPU6050无需外接ADC，降低了硬件电路难度。此外，MPU6050自带的DMP可以让姿态解算更容易，降低了运动处理运算对系统的负荷，同时降低了开发难度。
图六MPU6050
三、电机驱动模块
方案一：采用L298N。
L298N是意法半导体公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最大工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续电流为2A;额定功率25W。该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。
方案二：采用TB6612FNG。
TB6612FNG（如图七所示）是东芝半导体公司生产的一款直流电机驱动器件，它具有大电流MOSFET-H桥结构，双通道电路输出，可同时驱动2个电机。TB6612FNG每个通道输出最高1.2A的连续驱动电流，启动峰值电流达2A/3.2A(连续脉冲/单脉冲)；4种电机控制模式:正转、反转、制动、停止；PWM支持频率高达100kHZ；
相比L298N的热耗性和外围二极管续流电路，TB6612FNG无需外加散热片，外围电路简单，只需外接电源滤波电容就可以直接驱动电机，利于减小系统尺寸。对于PWM信号输入频率范围，更是高达100kHZ。
图七TB6612FNG
软件流程图
为使程序流畅运行，系统主控制循环程序添加独立看门狗，待程序跑完后可自动复位，软件流程图如图五所示。
SHAPE \* MERGEFORMAT
| 采样角度、编码信息 |
| 计算实际速度 |
| 计算偏差 变化率 |
| PID控制算法 |
| 驱动电机 |
| 驱动 停止 |
| 是否异常 |
| 停机状态 |
| 复位 |
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图五 软件流程图
程序设计好后，将对程序、单片机及外围器件进行仿真，确保方案能完成项目开发。5. 工作计划
五、工作计划
第1周接受任务书，领会课题含义，按要求查找相关资料；翻译相关英文资料；
