论文总字数：19210字

摘 要

基于单片机设计出的两轮直立平衡车是当前自动化领域研究中炙手可热的研究方向，它体现了控制科学、机器人智能技术、计算机技术、车辆工程、通信工程等多个学科领域的交叉与综合，智能车是机器人技术科学发展的基础，也是未来汽车技术与产业的升级方向。

在当前的汽车时代，大部分汽车都需要人进行控制，汽车的驾驶不但是对人体力的一种考验，更极大的增加了出行的安全隐患，引发一系列的社会问题。智能汽车的研究，可以解放人在驾驶中的劳动力，采用GPRS定位系统，计算机智能计算路径，传感器智能识别路况等一系列智能控制技术，代替人的驾驶环节，而且还能排除因疲劳驾驶、酒后驾驶，驾驶技术不娴熟等一系列人为因素带来的安全隐患。

目前流行的智能汽车大都以四轮为主，后轴两轮采用直流电机控制，推进车身前进后退。前轴两轮采用舵机控制，控制智能车的转向。四轮汽车拥有很好的稳定性，安全性，但是在空间上存在很大的劣势，四轮汽车占地面积较大，行驶不灵活便捷，四轮汽车在汽车普及、交通拥堵的今天，已经不能满足于人们的出行需求。所以我们采用两轮直立平衡智能车，不但节省了汽车行驶的空间，而且方便携带，彻底告别最后一公里的难题。

直立平衡车的设计基于在科技高速发展的今天拥有很大的潜力。我们可以通过自身的硬件设计，设计出电路图以及运用市场上完善的电子模块，开发出属于自己自身特色的小车模型。运用已经相当成熟的开板技术，画出小车的电机、传感器、供电电路等开发板。在主控芯片选型上使用市场占有率较高的STM32单片机作为主控芯片，大大提高了平衡车直立行驶的稳定性。

目前，市场上出现了一些平衡直立智能车，但这些平衡车远远不能达到市场的需求，不单单因为费用昂贵，安全性能也得不到保障。平衡车抗干扰能力差、运行不稳定造成一系列的安全问题，不但对人的生命财产造成威胁，而且使平衡智能车的发展受到前所未有的阻力。本次设计采用PID算法控制，增强了直立平衡智能车的抗干扰能力，对于外界的干扰能够平滑的做出反应，同时也缩短反应时间，维持稳定性。驾驶者在保证安全的同时享受平稳驾驶。

关键词：单片机；平衡车；PID算法

Abstract

Intelligent vehicle is a frontier science research in the field of automation, it embodies the artificial intelligence, control science, vehicle engineering, integrated and cross disciplines such as computer, is the basis for the development of robot technology, is to upgrade the direction of future automotive technology.

In the current era of automobile. Most cars need to control the driving force of human body but not a test, but also greatly increases the security risks of travel, triggered a series of social problems. The study of the intelligent vehicle, can liberate labor force in driving, using GPRS positioning system. The computer intelligent computing path sensor intelligent recognition road and a series of intelligent control technology, driving link instead of the people, but also excluded because of fatigue driving, drunk driving, the hidden trouble of safety driving technology is not skilled and a series of artificial factors.

Smart cars popular mostly in the four round, two rounds of the rear axle by DC motor control, promote the body forward and backward. The two front axle steering control, steering control of intelligent vehicles. Four wheel vehicles have stability, good security, but there is a great disadvantage in space, four wheel driving large area is flexible and convenient, four wheeled vehicle in the automobile popularization, traffic jam today, has been unable to meet the people's demand for travel. So we use the two upright balance smart car, not only to save the car space, and easy to carry, bid farewell to the last mile problem.

The design of vertical balance car based on the rapid development in science and technology today has great potential. It can be the balance of the car itself and combined into a whole, so that not only realizes the intelligent car instead of human activities to achieve special operations, but also to achieve a manned vehicle, to a certain extent to solve the traffic problems of upright people travel. The balance of the smart car but also because of the relatively simple mechanical structure, small footprint, easy to be taken advantage of to get the car to the favor of the market.

At present, there are some balance smart car market, but the balance of the car can not meet the needs of the market, not only because of the expensive cost, safety performance is not guaranteed. The balance of the car poor anti-interference ability, unstable operation caused a series of security problems, but does not pose a threat to human life and property. And the balanced development of the smart car is hitherto unknown resistance. This design uses the PID control algorithm, enhanced the balance of the smart car anti-interference ability, shorten the reaction time, maintain stability. At the same time to ensure the safety of the driver to enjoy smooth driving.

Key words: single chip microcomputer; balance car; PID algorithm

目录

摘 要 1

第一章 绪论 1

1.1设计目的及背景 1

1.2平衡车控制系统发展及现状 2

1.3单片机的发展及特点 3

1.4设计的内容目的 5

第二章 控制系统硬件设计 6

2.1控制系统的工作原理 6

2.2硬件电路设计 7

2.3 STM32F103单片机 9

2.4 陀螺仪和加速度计 12

2.5 平衡车原理图整合 13

第三章 控制系统的软件编程 14

3.1 编程软件 14

3.2 程序设计 14

3.2.1角度分析（PD算法） 14

3.2.2测速分析（PD算法） 16

3.2.3差速控制（PD算法） 17

3.2.4完整控制方案 18

3.3 PID算法 19

3.4 重点程序分析 21

3.4.1加速度角速度函数 21

3.4.2速度环控制函数 21

3.4.3角度环控制函数 22

第四章 总结与展望 23

4.1总结 23

4.2展望 24

第一章 绪论

1.1设计目的及背景

随着社会的发展科技的进步，汽车在现代生活和国防军事领域的应用已经十分普遍，汽车已经成为现代社会的一部分。但是工业规模化生产以及科技技术要求的提高，使得传统的四轮汽车已经不能满足人们的日常生活需求，在工业与国防军事领域，传统四轮汽车也暴露出很多局限性。传统四轮汽车具有体积庞大，占据空间成本高，不方便运输，行驶不灵活等缺点，因此，经常造成交通拥堵，汽车物流困难，城市停车难等问题。所以，一场来自汽车领域的革命迫在眉睫。

基于单片机设计的直立平衡车，可以有效的规避四轮汽车所带来的缺陷。基于单片机系统设计的直立平衡车具有很多非彼寻常的方面：第一、平衡车车体占用空间不大，重量相比四轮汽车大大改善，整个车的外形以及机械结构不复杂，有利于携带；第二、用户体验感强、操纵简单、机动灵活、稳定性佳；第三、能实现原地回转和任意半径转向，行驶路径灵活易变；第四、使用及停放方便，适用于场地面积较小的场合；第五、只需对电池进行充电即可长时间使用，不会给环境带来污染。所以两轮平衡车的发展具有广阔的市场前景，两轮平衡车可以有效的解决城市交通拥堵以及最后一公里难一系列等社会难题。

与此同时，自动化技术的快速发展以为智能平衡车的发展提供了夯实的基础。单片机技术的成熟使得平衡智能车的稳定更强。除此以外，单片机芯片的经过长期的发展与升级，使得开发的平衡智能车具有更多更加友好的功能。同时也大大节省了智能平衡两轮汽车的成本。目前，我国的PCB板开发技术也相对完善，有很多已经成熟的保护电路、检测电路、驱动电路以及通讯联网功能可以借鉴，大大提高了两轮平衡智能车的稳定性。另外，两轮平衡智能车的编译环境友好，编程语言也相对简单，增强了两轮平衡智能车开发的可行性。

本次设计是基于STM32单片机的两轮平衡车设计，采用的是原子公司的STM32F103系列芯片作为核心控制部件，针对其优势，对陀螺仪模块、电机驱动模块、集成编码器进行组合控制，实现智能平衡智能车直立行走。首先是进行硬件电路图设计，其次是进行运动控制系统分析，然后进行编程与参数调试。

1.2平衡车控制系统发展及现状

两轮平衡汽车的来源，第一辆平衡汽车诞生于Dean Carmen 与美国强生的下属公司Independence Technology一起合作设计的自动平衡轮椅——iBOT。卡门通过研究人体功能学，在人类行走活动中联想到平衡车领域。人类的本生就是一个完整而庞大的自动化负反馈系统，人类的行走通过双脚控制，通过眼睛的感官作为传感器，来判断人类的重心的位置，然后通过神经网络，把视觉信号传送到小脑，小脑再调节双腿实现人类平衡直立行走。因此，当人的身体向前倾倒的时候，人类同时也会迈出一条腿，用来支撑即将倾倒的自己，然后另一只腿向前发力，人的身体就实现前移，以此循环往复，这就是人类直立行走的过程的还原。卡门因此也从人类的直立行走中想到了平衡汽车的开发。卡门利用马达来代替人类的双腿进行速度驱动，用陀螺仪这样精密的传感器来代替人类身体的感官，这种大胆的假设又叫做“动态稳定”。美国强生公司也因此获得了一大笔财富，并专门成立了科技销售公司——iBOT来专门销售这项科技专利。不同于之前美国强生公司的销售理念，卡门这一次不仅仅是面向老落的残疾人，更多的是面向所有的人，这就是最早提出来的平衡车的概念。1999年7月，亚客洛责任有限公司诞生，卡门建立亚客洛公司旨在利用其动态稳定的理念，打造一个无污染、高效率的科技产品，随即新产品开发在即，科技产品代号“姜”（Ginger）。2001年2月，在美国新罕布夏州贝福特（Bedford, New Hampshire）动土施工新的研发与制造厂，直到11月份，该公司改名为电动平衡汽车有限公司，同所有的科技新品如出一辙，电动平衡汽车在设计生产阶段就闻名于世，大家对新的科技产品都翘首盼。12月3日人类史上第一辆能够自主平衡（Self-Balancing）的运输工具诞生了，卡门当天正式公开了电动平衡车的原型车，并命名为随意车（Segway HT）。2003年2月，赛格威公司签约美国国防部的国防先进研究计划署(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)，15架赛格威公司的平衡车改装成移动机器人平台(Robotic Mobility Platforms，RMP)，赛格威平衡车改装过后因其性价比高而备受各个机构欢迎。不久之后，美国的海军部队，国防部等国家国防部门大量采购平衡车，并应用于国防科技。

1.3单片机的发展及特点

单片机诞生于20世纪70年代末，是单片微型计算机的简称，是嵌入式微型控制器（Microcontroller Unit）的典型之一。单片机英文缩写MCU，最早的用途体现在工业领域。随着单片机在在工业生产者有着丰富的应用，许多业内人士、学生、电子竞赛爱好者也成了单片机普惠的受众群体，通过一定时间的发展，开发板开始普及。其代表例如原子公司STM32系列单片机开发版。单片机经过长期的发展，内部的核心部件有了日新月异的变化，内部的芯片是其重要的组成部分。同个人PC机处理器设计理念相似，最早的单片机设计理念就是将外部拓展模块与CPU连接在一块主板上，使得性能越高，运算越快，占用体积越小。后来，单片机与计算机处理器设计分道扬镳，自成一体。

20世纪80年代初，单片机都是4位或者8位的。其中的典型就是INTEL的8031，8031单片机的最大优势就是简单可靠性强，从而迅速抢占市场。此后发展的MCS51系列单片机就是从他前身发展而来。51系列单片机直到现在还受到市场的青睐。在此阶段，以下几个方面为51单片机的发展奠定了夯实的基础：1、外部总线的完善。外部总线的完善包括8位data bus、16位Address bus、Control bus以及很多通信串口。2、CPU外设的集中管理。3、在工业控制领域体现出的地址空间与操作方式特性。4、完善丰富指令，并且增加许多突出功能指令。

20世纪80年代末至90年代中期，随着电子消费品受到社会各界的狂热欢迎，单片机领域的得到了高速的发展。INTEli960系列问世后不久，ARM系列也得到了广泛的应用。32位的单片机成功的迅速崛起，并快速进入用户的眼球，占用了大量的市场份额，同时也冷落了16位单片机的发展，16位单片机逐步淘汰出市场。同一时期的8位单片机也在快速发展，作为时日已久的产品，经过工程师的开发创新，重新迎来第二次春天。

现如今，高端的32位处理器主频最高已经超过300MHZ，其性能堪比上世纪90年中期代专用处理器的速度。而且，单片机的生产成本相较之前也大大的降低，标准的价格在一美元左右，而最高的配置也就在十美元左右。目前，单片机的设计开发也从由简单的单片机开发版的开发环境升级为大量专用的嵌入式开发操作系统来开发，就像收集上的安卓和苹果以及个人PC上的微软系统。单片机的发展可谓是进入了全面而又高速的发展阶段。

单片机控制系统具有以下鲜明的特点。

1. 高度集成化，体积小，稳定性强，可靠性高 
   STM32单片机是高度集成的，一块晶体上集成了各功能部件，集成后的产品体积大大缩小。芯片内部的电路设计合理严谨，严格遵循电路设计的相关章程，在布线抗干扰方面都进行了特殊的处理。基于此的开发板的指令在ROM中存储比较轻松，多种信号通道在一个芯片内，可依赖性高。 
   （2）控制功能强 
   单片机的指令种类纷繁多样，各种各样的指令用来实现控制方案。各类总线的逻辑语句以及位处理能力都被应用于很多大型行业。 
   （3）低电压，低功耗，易于开发和使用 
   单片机易于工程师的开发和使用，其体积小，容易携带和安放在模型上，单片机作为小型微处理器，一般的的工作电压仅为1.8V～3.6V，工作电流的范围lt;100UA。 
   （4）易扩展 
   单片机同计算机相似，拥有计算机相同的硬件功能。其晶体外部可以连接多条总线。其中常见的供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，组织成最小的单片机系统。

（5）优异的性能价格比 
单片机拥有很多的功能。大大提高了运行的速度和效率，DSP和RISC流水线等技术在单片机中得到了广泛的应用。单片机已经拥有超过64KB的寻址能力，甚至可以达到1MB和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。如今单片机开发版板早已经普及在电子以及自动化等各个领域，市场需求紧俏，在市场竞争的过程中大大拉低了销售价格，拥有低价位的同时也提高了性能。

1.4设计的内容目的

实现“正常直立”和“遥控行驶” 两种控制方式。

"正常直立"方式的具体控制要求如下：

上电之后，两轮直立平衡车实现正常直立。在遇见外部干扰时，能及时做出反应，使得平衡车始终保持直立状态。在此过程中，电机不做前进后退左右转向的指令。

“遥控行驶”方式的具体控制要求如下：

上电之后，使得两轮直立平衡车保持直立状态。

通过遥控器控制车的行驶方向，通过向前后左右四个方位的行驶，能让智能车在正常行驶的同时保持直立状态。

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