两轮智能平衡车控制系统的设计与实现

摘要

随着科学技术的飞速发展，我国在智能机器人领域获得了骄人的成绩，为人们的生产、生活带来了便捷。本文所研究的两轮智能平衡车属于一种典型的智能机器人，其动力学系统具有多变量、强耦合、非线性以及参数不确定等特点。可以在很小的空间内实现转弯，绿色环保，是一种理想的代步工具。对该系统的研究具有很高的理论价值和实用价值。本文将对两轮智能平衡车的软硬件系统进行设计，使系统最终能够实现静态平衡和动态平衡。主要研究工作如下：
　　(1)分析两轮智能平衡车的平衡原理和转向原理，建立了车轮、车体、和电机三者动能模型，进而利用拉格朗日方法建立了两轮智能平衡车数学模型。
　　⑵以STM32为主控芯片，设计了两轮智能平衡车控制系统的主控板和驱动板电路，主控板电路包括电源转换电路、STM32最小系统以及平衡车姿态、速度及转向信息采集电路，驱动板包括以IR2130为驱动芯片的门极驱动电路以及三相桥式逆变电路。
　　(3)分析六轴运动处理组件MPU650中加速度计与陀螺仪测量平衡车车体倾斜角度的原理，设计了一种卡尔曼滤波融合算法，对两者信息进行处理，得到更为准确的倾角信息，最后应用MATLAB仿真对设计的滤波融合算法进行了有效性验证。
　　(4)在硬件平台建立的基础之上，对两轮智能平衡车数据采集、PID控制以及WIFI通信系统程序进行设计，以此为基础，搭建了平衡车测试平台，对电机驱动系统、平衡车直立、加速和转弯性能进行测试，验证了软硬件系统的可行性。

目录

声明

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.2两轮智能平衡车的国内外研究现状

1.3主要研究内容及章节安排

1.4本章小结

第二章两轮智能平衡车原理及数学模型

2.1两轮智能平衡车系统概述

2.2两轮智能平衡车原理分析

2.3两轮智能平衡车数学模型

2.4本章小结

第三章两轮智能平衡车控制系统的硬件电路设计

3.1硬件系统总体架构

3.2无刷直流电机介绍

3.4驱动板设计

3.5两轮智能平衡车硬件电路的实现

3.6本章小结

第四章两轮智能平衡车的姿态信息采集分析与处理

4 .1 两轮智能平衡车的姿态信息采集分析

4.2两轮智能平衡车姿态信息处理

4.3本章小结

第五章两轮智能平衡车控制系统的软件设计与实现

5.1软件设计总体架构

5.2系统初始化

5.3数据采集程序设计与实现

5.4控制算法设计

5.5 通信软件设计

5.6两轮智能平衡车系统测试

5.7本草小结

总结与展望

研究工作总结

进一步的研究工作

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

攻读硕士学位期间申请的国家专利

攻读硕士学位期间参与的科研项目

致谢