基于DSP的两轮自平衡小车的设计及实现

摘要

在日趋智能化的时代，科技将人类的生活方式不断革新，作为一种新型载人载物工具，两轮自平衡小车越来越频繁地出现在日常生活中。除此之外，其具备的独特性能，如结构简单、灵活性高、低噪声、自重轻等，使其在资源勘探、安防巡逻、军事侦察等领域也有着广泛的应用前景。本文基于一阶倒立摆的模型，采用先进的嵌入式控制器作为控制核心，有刷直流电机作为驱动设备，加速度计和陀螺仪作为传感器，设计并制作一台可载人的两轮自平衡小车。
　　本文首先通过对现有自平衡小车的调察与研究，确立了以两轮自平衡小车作为研究对象，并通过对一阶倒立摆模型的深入学习，经过适当的线性化处理，最终得到了自平衡小车的控制模型。在系统方案设计时，针对已确立的控制对象，选用了更为合适的硬件方案和控制算法，以达到较好的设计效果。
　　其次，在系统控制平台硬件设计时，充分考虑到平台的通用性、可靠性、稳定性等因素，选用DSP+ARM双处理器作为系统的控制核心，不仅保证了平台强大的数据运算能力，同时也解决了传感器与处理器之间的速度差距问题，减少了控制算法运行时被中断的几率，从而便于更好地比较在同一平台上不同控制算法的控制效果。在硬件设计上，充分考虑到功耗问题，对功耗较大的器件和模块做出合理的散热处理，有效提高了系统运行的稳定性。
　　最后，考虑到控制对象的特殊性，在对小车姿态检测时，采用了加速度计和陀螺仪两种不同类型的传感器，将传感器的输出进行数据融合处理，最终得到有效的姿态数据；在对小车的运行状态进行监测时，监测数据采用无线传输方式发送到上位机，实现了小车的远程监控，极大地方便了调试工作的进行。
　　本文完成了系统控制板和电机驱动板的原理设计与电路板制作，小车的机械结构的组装，载人测试和上位机联机测试。在载人测试过程中，通过更换不同的驾驶人员，获得不同的测试环境，最终为控制算法确立了一组最优的参数，保证了系统对驾驶者的适应性和稳定性。

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第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 课题历史与现状

1.3 课题研究内容

第2章 小车总体方案选取

2.1 小车控制模型的建立

2.2 系统总体方案的选取

2.3 系统控制策略

2.4 本章小结

第3章 控制系统硬件设计

3.1 控制器设计

3.2 传感器设计

3.3 通讯接口设计

3.4 电源设计

3.5 电机驱动设计

3.6 控制系统硬件实现

3.7 本章小结

第4章 系统软件设计

4.1 电机驱动

4.2 传感器数据处理

4.3 运动控制

4.4 上位机通讯

4.5 综合调试

4.6 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间参加的科研情况