论文总字数：21009字

摘 要

随着科学技术的进步，交通工具正逐渐朝着环保、节能、娱乐、便捷性的方向发展，而自平衡车因其绿色环保且便于出行，受到了人们越来越多的关注。

本文就此提出了一个以STM32为主控芯片的双轮平衡车的控制系统方案。我设计的两轮车是左右对称，自然状态下是不能直立的，需要通过编程获取姿态信息，再通过相关公式及双闭环的控制算法得到PWM脉波输出，以此控制电机实现平衡。平衡车的核心控制器采用STM32，它和直流电机驱动模块、电源模块、姿态检测模块和遥控等模块组成整个硬件系统。平衡车软件系统主要实现对各传感器的数据采集和融合滤波，采用双闭环PID控制算法实现对车辆直立状态的维持和运行速度的实时控制，实现车体的平衡。

测试结果表明，本文设计的控制系统达到了开始的预期要求，再根据调试的情况对参数做了改善，基本达到最终的设计要求。

关键词：双轮平衡车控制系统 STM32 MPU6050 PID算法

Abstract

With the advance of science and technology, transport is stepping towards energy conservation, environmental protection, convenient and entertaining direction. Since the first balancing robot Segway was invented，because of the environmental protection and convenience of the balancing car，it has been of great concern more and more.

this article mainly introduces the balance of the two-wheeled balancing vehicle control system design scheme. the structure of two-wheelers are arranged symmetrically, it can’t remain upright in the natural state. So it’s required to get information of posture through programming, and then output PWM pulse width through the double-loop control algorithm and correlation equation to adjust the output control of the motor rotion and speed, thus the two-wheelers could be balanced. the STM32 is the core controller, on the basis of interface circuit board of increasing the hardware system, including DC motor control module, power management module, the attitude angle feedback module, man-machine interaction module. The balancing-car software system is to get each sensor data and fusion filtering, and achieving the state of the upright vehicle and maintain real-time control speed through dual closed-loop PID control algorithm, finally it could be balanced.

Testing results show that the designing control system achieve basic requirments. then according to results of debugging, the situation of the whole system has be modified, finally it meet the design requirements.

Key Words：Control system of two-wheeled vehicle;STM32;MPU6050;PID control algorith

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 平衡车概述 1

1.2 国内外对两轮平衡车的研究现状 1

1.3 课题的研究内容与目的 2

1.4 下文章节结构 3

第二章 平衡车的平衡原理 4

2.1 两轮平衡车任务分解 4

2.2 小车平衡控制 4

2.3 本章小结 5

第三章 平衡车控制系统硬件设计 6

3.1 控制系统硬件总体设计方案 6

3.2 MPU6050模块设计 7

3.2.1 MPU6050芯片 7

3.2.2 MPU6050的硬件设计 7

3.3 电机及其驱动模块 8

3.3.1 电机及上面的编码器 8

3.3.2 电机驱动芯片硬件设计 9

3.4 电源模块设计 10

3.5 主控制器STM32F103ZE 11

3.5.1 STM32简介 12

3.5.2 STM32串口参数分析与设计 13

3.5.3 STM32中断参数分析与设计 14

3.6 蓝牙模块设计 15

3.7 本章小节 16

第四章 平衡车控制系统软件设计 17

4.1 控制系统软件总体设计方案 17

4.2 模块初始化及部分程序详解 18

4.2.1 GPIO口的初始化 18

4.2.2 串口的初始化 18

4.2.3 I2C初始化 19

4.2.4 MPU6050的初始化 21

4.2.5 MPU6050-DMP数字运算处理 22

4.3 控制算法设计 22

4.3.1 姿态角控制 23

4.3.2 速度控制 23

4.3.3 PID参数整定步骤 24

4.4 本章小节 24

第五章 双轮平衡小车的系统调试 25

5.1 上位机及姿态传感器调试 25

5.2 直立控制调试 27

5.3 速度控制调试 27

5.4 方向控制调试 28

5.5 本章小节 28

参考文献 29

致谢 30

第一章 绪论

1.1 平衡车概述

科学技术发展正不断进步，交通工具也朝着更加节能、便捷、娱乐性的方向发展。而“电动车”因其绿色环保且便于出行,受到了人们越来越多的关注。在现在的社会里，电动车就有摩托车、自行车、汽车之分。由于科学技术日新月异，加之电动机制作水平的提高以及直流无刷电动机制造工艺的积累成熟，带动了电力驱动车（摩托车和自行车）的快速发展。并且，有些工程师也根据两轮车平衡原理发明出了新式的电力驱动车——两轮平衡车，目前由于其更加方便人们的出行且其本身不占多大的空间，易于携带，获得了人们极大的好评。同时，这种新式交通的工具由于其摒弃了原先的电动车（自行车和摩托车）的前后车轮的样式，而是车轮并排固定的，这种方式让人耳目一新，同时给人们带来一种全新的驾驭感受。这种电力驱动的两轮车是仅仅利用两个轮子来支撑车主体的，源动力是靠充电电池提供给电机驱动轮子，并采用微控芯片、姿态反馈模块、PID控制算法还有车体的机械组织共同协调控制车主体平衡，仅仅是靠站在车体的人的重心的变化，这样就能实现对小车的控制，例如：前进，后退，加速，停止等等。

1.2 国内外研究现状

自1986年以来，就有了对两轮平衡车的研究，在日本东京电信大学的山藤一雄教授就首先提出了类似两轮自平衡系统的思想。同年同样在日本的教授Kazuo Yamafu ji一改人们对两轮车认识的常态，标新立异地设计出了一个两轮并排同轴，重心在两轮主轴之上的两轮车模型。从此模型可以看到，电机是设计在两轮之上，主轴之下，而其他的芯片和电源都是设计在两轮主轴之上的，依靠集成芯片上的姿态传感器来感应姿态角。但是当时的芯片和姿态感测技术有限，上面的两轮车模型是只能顺着原先设计好的路劲移动。当然是无法实现既定的目标的，但随着科学技术的不断发展和钻研的不断深入，已经突破了原先的成绩。

从1995年开始，美国发明家Dean Kaman就在进行秘密研制，直到2001年12月，获得允许才将这项机密的新发明设计公布出来，在2003年的3月，并以Segway命名正

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