论文总字数：37499字

摘 要

现如今，随着科技的高速发展以及环保意识的加强，两轮机器人逐渐走入人们的工作与生活，并且凭借自身的优势，走在了科技的前沿，解决了工业智能化，柔性化生产的需求。伴随着我国经济进入新的发展常态，两轮机器人必将从众多行业领域中脱颖而出。

本课题选择了当前主流的STM32F103C8T6为主控，成熟的MPU6050陀螺仪加速度计,TB6612FNG驱动等模块，制作一个简易两轮机器人模型。姿态采集系统将机器人姿态数据上传到控制器，之后使用互补滤波算法对陀螺仪和加速度计两者之间进行数据融合，最后通过对机器人的直立、速度和方向的PID控制，进而实现对电机的控制。最终实现两轮机器人控制系统的运动与静止。

关键词：两轮机器人 STM32 互补滤波 PID控制

Design and implementation of two-wheel robot balance control system

Abstract

Nowadays, with the rapid development of science and technology and the strengthening of environmental awareness, two-wheeled robots have gradually entered people's work and life, and relying on their own advantages, they have been at the forefront of science and technology, solving industrial intelligence and flexible production. demand. With China's economy entering a new development normal, two-wheeled robots will stand out from many industry sectors.

This topic selects the current mainstream STM32F103C8T6 as the main control, the mature MPU6050 gyroscope accelerometer, TB6612FNG drive and other modules, to build a simple and lightweight two-wheeled robot model. The complementary filtering algorithm is used to data fusion of the gyroscope and the accelerometer, and the control of the motor is realized by PID control of the upright, speed and direction of the two-wheeled robot. Finally, realize the dynamic balance of the two-wheeled robot.

Keywords: Two-wheeled robot; STM32;Complementary filtering; PID control

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本论文主要研究内容 2

1.3.1 主要内容 2

1.3.2 要求及需要解决的问题 3

1.4 本章小结 3

第二章 两轮机器人的原理分析和控制策略 5

2.1 两轮机器人的控制原理 5

2.1.1 平衡控制 6

2.1.2 速度控制 6

2.1.3 方向控制 7

2.2 两轮机器人的控制策略 7

PID控制算法 8

2.3 本章小结 8

第三章 系统硬件设计与选型 10

3.1 机械结构设计 10

3.2 控制电路整体框架 10

3.2.1 控制方案总图 11

3.2.2 最小控制单元 11

3.3 姿态检测系统 13

3.3.1 MPU6050模块 13

3.3.2 编码器模块 14

3.4 电机及电机驱动模块 15

3.4.1 电机选型 16

3.4.2 电机驱动模块 17

3.5 蓝牙模块 18

3.6 电源电路设计 19

3.7 底板电路 20

3.8 本章小结 21

第四章 系统软件设计 22

4.1 软件平台 22

4.2 软件功能与框架 22

4.3主程序框架 22

4.4 初始化 23

4.5 主循环 24

4.6 主要函数程序说明 24

4.7 本章小结 28

第五章 调试与运行 29

5.1 调试注意事项 29

5.1.1 单位大小 29

5.1.2 参数极性 29

5.2 调试思路 29

5.3 经典调试法 29

5.3.1 角度环调试 29

5.3.2 速度环调试 32

5.4 快速调试法 34

5.5 本章小结 35

总结与展望 36

参考文献 37

致谢 38

附录 A 原理图 39

附录 B 软件程序 42

第一章 绪论

1.1 课题背景

随着时代的进步，人们日常的物质文化需求，越来越高。另一个层面来讲，就是人类社会将迎来一次人工智能的社会变革。为了满足人们的生活工作需要，各种各样的机器人逐渐走进人们的日常生活中。现如今，人们在见识到破坏大自然生态所带来的后果之后，低碳出行与绿色环保意识被人们越来越重视。两轮移动机器人便是低碳出行时代发展的产物。为了适应不同的路面环境，两轮移动机器人的行走方式也各种各样，如轮式、履带式、腿式等等。因为轮式机器人具有设计简单、价格低廉、适应性强等优点，在各个类型的两轮机器人当中脱颖而出。

两轮机器人的原型是倒立摆，因其两轮共轴、独立驱动、机器人的重屯、可不停摆动、通过两轮差速运动保持稳定。现如今对两轮机器人的不断研究，面临的任务和环境也更加复杂，可以看出两轮机器人在复杂多变的环境中表现出极高的适应性。在一些不需要载人的情况下，整车不需要很大的电机和电池，底盘可设计的更为小巧。由于两轮机器人的以上特性，应用的领域非常之广泛，其中最典型的应用就是代步车，还有一些比如紧急服务、户外探险、现场勘查、易燃易爆品运输、消防、老人轮椅等方面。

两轮机器人在问世以来，得到了社会的广泛关注，研究者们为了使其达到稳定的动态平衡，验证各种控制理论，建立的控制理论研究平台，具有重大的研究意义。

1.2 国内外研究现状

在两轮机器人的研究领域，早在上世纪九十年代左右，日本的山藤高桥教授最先提出两轮机器人的理论概念，通过几十年的发展，也成功申请了国家专利。但是在当时的科技背景下，控制芯片的不成熟，处理器的性能相对低下，所以对理论的研究，并没有取得一些实质性的成果。

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