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双轮自平衡车设计报告学院…………、、、、、、、、、、班级……………………姓名………………、、手机号…………………、、姓名………………、、手机号…………………、、姓名………………、、手机号…………………、、目录双轮自平衡车原理总体方案电路与程序设计算法分析及参数确定过程双轮自平衡车原理1、控制小车平衡得直观经验来自于人们日常生活经验。一般得人通过简单练习就可以让一个直木棒在手指尖上保持直立。这需要两个条件:一个就是托着木棒得手掌可以移动;另一个就是眼睛可以观察到木棒得倾斜角度与倾斜趋势(角速度)。通过手掌移动抵消木棒得倾斜角度与趋势,从而保持木棒得直立。这两个条件缺一不可,让木棒保持平衡得过程实际上就就是控制中得负反馈控制。图1木棒控制原理图2、小车得平衡与上面保持木棒平衡相比,要简单一些。因为小车就是在一维上面保持平衡得,理想状态下,小车只需沿着轮胎方向前后移动保持平衡即可。图2平衡小车得三种状态3、根据图2所示得平衡小车得三种状态,我们把小车偏离平衡位置得角度作为偏差;我们得目标就是通过负反馈控制,让这个偏差接近于零。用比较通俗得话描述就就是:小车往前倾时车轮要往前运动,小车往后倾时车轮要往后运动,让小车保持平衡。4、下面我们分析一下单摆模型,如图4所示。在重力作用下,单摆受到与角度成正比,运动方向相反得回复力。而且在空气中运动得单摆,由于受到空气得阻尼力,单摆最终会停止在垂直平衡位置。空气得阻尼力与单摆运动速度成正比,方向相反。图4单摆及其运动曲线类比到我们得平衡小车,为了让小车能静止在平衡位置附近,我们不仅需要在电机上施加与倾角成正比得回复力,还需要增加与角速度成正比得阻尼力,阻尼力与运动方向相反。5平衡小车直立控制原理图5、根据上面得分析,我们还可以总结得到一些调试得技巧:比例控制就是引入了回复力;微分控制就是引入了阻尼力,微分系数与转动惯量有关。在小车质量一定得情况下,重心位置增高,因为需要得回复力减小,所以比例控制系数下降;转动惯量变大,所以微分控制系数增大。在小车重心位置一定得情况下,质量增大,因为需要得回复力增大,比例控制系数增大;转动惯量变大,所以微分控制系数增大。总体方案■小车总框图三.电路与程序设计1、主要元器件选型A、STM32F103RCT6最小核心板■小容量增强型,32位基于ARM核心得带16或32K字节闪存得微控制器USB、CAN、6个定时器、2个ADC、6个通信接口功能。■内核:ARM32位得Cortex™-M3CPU−最高72MHz工作频率,在存储器得0等待周期访问时可达1、25DMips/MHz(Dhrystone2、1)。−单周期乘法与硬件除法。■存储器−从16K到32K字节得闪存程序存储器。−从6K到10K字节得SRAM。■时钟、复位与电源管理−2、0～3、6伏供电与I/O引脚。−上电/断电复位(POR/PDR)、可编程电压监测器(PVD)。−4～16MHz晶体振荡器。−内嵌经出厂调校得8MHz得RC振荡器。−产生CPU时钟得PLL−带校准功能得32kHzRTC振荡器■低功耗−睡眠、停机与待机模式−VBAT为RTC与后备寄存器供电■2个12位模数转换器,1μs转换时间(多达16个输入通道)−转换范围:0至3、6V−双采样与保持功能−温度传感器■DMA:−7通道DMA控制器−支持得外设:定时器、ADC、SPI、I2C与USART■多达80个快速I/O端口−26/37/51个I/O口,所有I/O口可以映像到16个外部中断;几乎所有端口均可容忍5V信号B、L298N双直流电机驱动模块■板载一个L298N马达控制芯片与一个7805稳压芯片。■模块可以同时驱动2个直流电机或者一个五线四相式步进电机。■模块输入电压6~12V■常用得电机驱动功能够用切资料也很好找。C、传感器MPU6050模块■此六轴模块采用先进得数字滤波技术(卡尔曼滤波),能有效降低测量噪声,提高测量精度。模块内部集成了运动引擎DMP,获取四元数得到当前姿态。姿态测量精度0、01度,稳定性极高,性能甚至优于某些专业得倾角仪！采用高精度得陀螺加速度计MPU6050通过IIC协议输出保证数据得准确性。■电压:3V~6V。电流:<10mA。体积:17、8mmX17、8mm重量:1、1g■测量维度:加速度:3维,角速度:3维,姿态角:3维■量程:加速度:±16g,角速度:±2000°/s。■分辨率:加速度:6、1e-5g,角速度:7、6e-3°/s。■稳定性:加速度:0、01g,角速度0、05°/