基于单片机的智能直立小车设计.doc

摘要:本设计采用目前工业界通用的意法半导体公司生产的STM32F103C8T6单片机作为核心控制器，采用型号为MPU6050的姿态传感器对当前角度进行测量，利用卡尔曼滤波算法对姿态传感器采集获得的姿态角进行优化滤波。利用日本东芝公司生产的TB6612驱动芯片驱动减速电机，使小车达到平衡；同时通过自制的遥控器进行遥控使实现小车的遥控转向等功能。具体来讲，本次毕设主要完成了遥控小车的硬件（包括结构和电路）的设计和软件部分的设计。

在硬件设计方面，主要完成了智能小车和遥控器的设计工作。智能小车由5部分组成，主要包含微处理器、角度检测模块、驱动模块、稳压模块以及执行设备（小车车体）。遥控器由4部分组成，主要包含微处理器、角度检测模块、稳压模块以及执行设备（控制杆和蓝牙模块）。操作者打开遥控器和小车上的开关，当连接指示灯亮起提示连接成功后，可以通过控制杆或重力感应对小车进行遥控完成行进和转向。

软件部分为两部分。小车包含了主程序、初始化子程序、检测子程序，滤波子程序和控制子程序。实现小车的平衡稳定，并通过完成蓝牙接收指令。遥控器包括主程序、初始化子程序、检测子程序、发送子程序。实现遥控器的指令发送，重力感应的检测。两部分联系起来使得，小车在遥控器两种的模式控制下完成规划动作。

通过本次毕业设计，我对程序框架搭建，程序编写以及结构的组装有了更深刻的印象，同时有自学了许多新兴的技术如3D打印技术。

关键词：STM32F103C8T6；MPU6050姿态模块；卡尔曼滤波；串级PID；电机速度控制

目录

摘要

Abstract

1 绪论-1

1.1课题背景-1

1.2 遥控平衡小车的关键技术-3

1.2.1遥控平衡小车的系统设计-3

1.2.2姿态检测系统-3

1.2.3控制算法-3

1.3研究目标及内容-3

1.4 论文章节安排-4

2 系统整体设计-5

2.1 系统框图-5

2.2 控制系统要求分析-5

2.3 平衡控制原理-6

2.4 PID控制器-6

2.5 姿态检测系统-6

2.6 本章小结-7

3系统硬件电路设计-8

3.1 STM32F103C8T6单片机介绍-9

3.2 单片机最小系统研究-9

3.3 电源管理模块-11

3.4 姿态检测模块-13

3.5 电机驱动及测速模块-13

3.5.1 TB6612电机驱动模块-14

3.5.2 霍尔编码器研究与使用-15

3.6 本章小结-16

4系统软件设计-17

4.1 软件系统总体结构-17

4.2 单片机初始化设计-18

4.2.1 时钟初始化-18

4.2.2 中断初始化-18

4.2.3 串口初始化-19

4.2.4 测速模块初始化-19

4.3 姿态检测模块设计-19

4.3.1 MPU6050模块初始化-19

4.3.2 卡尔曼滤波算法-20

4.4位置式闭环与增量式闭环-21

4.4.1 位置式闭环-21

4.4.2 增量式闭环-21

4.5本章小结-21

5机械结构设计-22

5.1小车的机械结构设计-22

5.2遥控器机械结构设计-23

5.2本章小结-25

6系统调试-26

6.1硬件调试-26

6.1.1 车轮的安装与调整-26

6.1.2 印刷电路板的设计-26

6.1.3 MPU6050的安装-26

6.2软件调试-27

6.2.1 直立环调试-27

6.2.3 方向环调试-27

结    论-28

参 考 文 献-29

附录A 系统电路原理图和PCB图-30

附录B 实物图照片-31

致    谢-33