摘 要

平衡车作为一种新颖的交通工具,具有便携,低功耗,无污染,无噪声等诸多优点,一经问世,便逐渐受到越来越多人的青睐。近年来平衡车逐步的市场化,并在各种领域得到应用,给人们生活和工作带来便利的同时,其存在的一些安全问题也是不容忽视的，而较容易出现问题的原因之一是其控制系统的鲁棒性能较弱。平衡车的应用，最核心的技术在于控制部分。本文旨在设计一款基于STM32的双轮平衡车，以平衡车的控制系统设计为主要研究内容，设计相应的控制算法，以期望提高系统的鲁棒性能。设计的正文部分从内容上细分为硬件设计和软件设计两部分。硬件部分详细论证了各模块的实现原理、器件选型和参数配置，软件部分仔细分析了系统功能的实现逻辑、控制思路及算法流程。系统使用STM32F103C8T6作为最主要的处理单元，可以快速地将信号采集出来，同时对数据进行滤波处理，保证数据传输的实时性、准确性。实物测试结果表明，得益于STM32的高速处理能力，本文设计的平衡车系统鲁棒性能较高。系统的控制由软件实现，具有便捷性、实用性。

关键词：双轮平衡车 STM32 控制系统 鲁棒性

Design of Control System of Intelligent Two-wheeled Balanced Car Based on STM32

Abstract

As a new means of transport, with a portable、low power consumption、no pollution、no noise and many other advantages, once available, balance car is popular with more and more people of all ages gradually.The balance of vehicles gradually market-oriented in recent years, and have been applied in a variety of areas to bring convenience to people's lives and work,while some of its existing security problems can not be ignored at the same time, and one of the reasons more likely to be the problem is its robust performance of the control system is weak.The core technology lies in the control part of the application of the balanced car.This acticle is intended to design a two-wheeled balanced car based on STM32.The main research content is to design the control system of the balanced car, and design the corresponding control algorithm,which expects to improve the robustness of the system.The part of the text is subdivided into hardware configuration and software design.The hardware part demonstrates the realization principle, the device selection and the parameter disposition of each module in detail,and the software part analyzes the realization logic, the control thought and the algorithm flow of the system function carefully.System using STM32F103C8T6 as the most important processing unit,which can collect the signal quickly, while the data is filtered to ensure real-time and accuracy of the data transmission.The physical test results show that due to the high speed processing capability of STM32,the robustness of the balanced car system is high.The system is controled by the software,which is convenient and practical.

Key words：two-wheeled balanced car; STM32; control system; robustness

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1 设计背景 1

1.2 设计目的与意义 1

1.3 设计内容与重点简介 1

1.4 论文章节安排 2

第二章 平衡小车设计原理 3

2.1 平衡小车运动原理 3

2.2 小车直立PD控制原理 3

2.3 小车倾角与角速度测量原理 5

2.4 小车速度PID控制原理 6

第三章 系统硬件设计 9

3.1 主控芯片的选择 9

3.2 倾角与角速度测量模块设计 10

3.3 速度测量模块设计 12

3.4 电机驱动模块设计 13

3.5 稳压模块设计 14

3.6 WiFi模块设计 15

第四章 系统软件设计 17

4.1 平衡系统软件设计 17

4.2 卡尔曼滤波的设计 18

4.3 小车直立控制设计 20

4.4 小车速度控制设计 21

4.5 控制软件的设计及其连接 22

4.5.1 控制软件的设计 23

4.5.2 上位机与下位机的连接 26

第五章 系统调试与分析 29

5.1 系统硬件电路调试 29

5.2 控制系统PID参数整定 30

5.2.1 小车直立控制PD参数整定 30

5.2.2 小车速度控制PI参数整定 31

5.3 双轮平衡小车的动态调试 31

总结 34

参考文献 35

致谢 36

附录 37

1. 引言

本章简要阐述了双轮自平衡小车的来源和发展，研究近状以及研究意义，并据此提出了本论文的首要设计内容。

1.1 设计背景

近十几年来，很多小型机器人爱好者和一些研究部门将其关注焦点放在了自平衡机器人上面，由此生出了许多以不同设计方法与控制方案为基础的自平衡控制系统。在这个大方向上，国外已经研究出了不少颇有代表性的作品。例如，来自瑞士联邦工业大学的富力克斯早在2002年就研制出了双轮自平衡机器人，并能够通过遥控器控制其运动，运动速度最高可达到每秒1.5米；而美国的安德森也在2003年研究出了性能卓越的双轮电动平衡车，不仅能在公路上行驶，也能在崎岖的山路上运行且保持平衡，鲁棒性能较强。

近几年，人们环保意识逐渐加强。借着这股东风，科学家进行潜心研究，将两轮电动平衡车推向市场。作为一种新颖的交通工具,两轮电动平衡车具有便携,低功耗,无污染,无噪声等诸多优点,一经问世，便逐渐受到越来越多人的青睐。近年来平衡车逐步发展,并在各种领域得到应用,给人们生活和工作带来了很多便利。但与此同时,其存在一些不容忽视的安全问题，而较容易出现问题的原因之一是其控制系统的鲁棒性能较弱。

1.2 设计目的与意义

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