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-CAL-本頁僅作為文檔封面，使用請直接刪除兩輪自平衡小車畢業設計04161120(總24頁)兩輪自平衡小車的設計摘要近來這幾年來，自平衡電動車的研發與商用獲得了快速發展。自平衡車含有體積小，運動十分靈活，便利，節能等特點。本文提出了一種雙輪自平衡小車的設計方案，機械構造采用了雙輪雙馬達驅動；控制重要采用的是反饋調節，為了使車體更加好的平衡，使用了PID調節方式；硬件上采用陀螺儀GY521MPU-6050來采集車體的旋轉角度以及旋轉角加速度，同時采用了加速度傳感器來間接測量車體旋轉角度。采用意法半導體ST公司的低功耗控制器芯片stm32作為主控，采集上述傳感器信息進行濾波，分析等操作后進而控制馬達的驅動，從而達成反饋調節的閉環，實現小車的自動平衡。系統設計，調試完畢后，能夠實現各個功效部件之間協調工作，在適度的干擾情形下仍然能夠保持平衡。同時，也能夠使用手機上的APP通過藍牙與小車通信控制小車的邁進和后退以及轉彎。核心詞：自平衡小車陀螺儀傳感器濾波APPDesignofTwo-WheelSelf-BalanceVehicleAbstractInthelastfewyears,withthedevelopmentofcommercialselfbalancingelectricvehiclewasdevelopedrapidly.Selfbalancingvehiclehastheadvantagesofsmallvolume,themovementisveryflexible,convenient,energysavingetc..Thispaperpresentsatwowheeledselfbalancingrobotdesign,mechanicalstructureadoptsdoublemotordrive;controlledmainlybythefeedbackregulation,inordertomakethebalanceofthebodybetter,withthePIDregulation;hardwareusinggyroscopeGY521mpu-6050tocollecttherotationangleofthecarbodyandtherotationangleacceleration.Atthesametime,accelerationsensortomeasureindirectlybodyrotationangle.St,thelowpowerconsumptioncontrollerSTM32chipusedasthemaincontrol,collectingthesensorinformationfiltering,analysisbackwardandcontrolmotordrive,soastoachievecloseloopfeedbackregulation,therealizationofthecarautomaticbalance.Systemdesign,debuggingiscompleted,thecoordinationbetweenthevariousfunctionalcomponentscanbeachieved,inthecaseofmoderateinterferencecanstillmaintainabalance.Atthesametime,youcanalsousetheAPPonthemobilephonewiththecartocontrolthecar'sforwardandbackwardandturning.KeyWords:SelfbalancingcargyroscopesensorfilterAPP目錄301621.緒論 115533研究背景與意義 19705自平衡小車的設計要點 132188整體構思 15349姿態檢測系統 210227控制算法 2本文重要研究目的與內容 229903論文章節安排 3164072.系統原理分析 416210控制系統規定分析 46169平衡控制原理分析 423884自平衡小車數學模型 526189兩輪自平衡小車受力分析 511249PID控制器設計 714779PID控制器原理 712842PID控制器設計 8270493.系統硬件電路設計 83638硬件電路整體框架： 830496系統運作流程介紹： 920893下面分各個部分進行介紹： 930627電源供電部分： 917802主控制器部分： 915007陀螺儀傳感器部分： 118950馬達驅動電路: 1210076測速部分： 1225948藍牙通信部分：ZK-07 1332631本章小結 14214444.系統軟件設計 1421038軟件系統總體構造 1431592系統初始化過程 153845模數轉換模塊（AD）初始化設立 1528736通用串行通信USART初始化 1523176光柵法測速模塊初始化 152873平衡PID控制軟件實現 167739兩輪自平衡車的運動控制 17232725.總結與展望 1821753總結 1825324展望 1824397參考文獻 1926473附錄 201.緒論研究背景與意義隨著科技的發展與進步，近來這些年來，移動機器人產業的發展和創新日新月異，人們的生活也越來越離不開各式各樣的機器人。小到家里使用的掃地機器人，全自動洗衣機，生產線上的自動點焊機，以及現在炙手可熱的無人駕駛汽車。這些都得益于移動機器人機器人的使用領域愈來愈多，以及機器人行業的基礎技術也越來越成熟。本文提出的自平衡車就是眾多機器人中的一種。由于只有兩個輪子，因此體積相對其它移動機器人能夠做的很小，能夠適應比較狹窄的空間。同時，由于采用雙輪驅動，移動起來也十分靈活，甚至能夠做到原地旋轉。由于其輕便，運動靈活，適應面廣，節省能源，環保等種種優點使得它的發展和應用前景非常地廣闊。同時在理論研究方面，平衡車，作為一種控制系統，由于重力的存在，自平衡小車原本是不能自主保持站立的，需要依靠對輪的適宜的控制來實現車身的平衡。通過馬達的驅動來控制車輪的旋轉狀態，陀螺儀加速度計等MEMS傳感器，算法，微控制器以及車體的機械構造裝置聯動的協調來控制小車的平衡，是一種集合了傳感器測量，干擾去除，數據分析，實時解決，行為操作與執行的多個環節的綜合控制系統。系統的動態響應規定較高，傳感器的數據要進行濾波和分析后才干作為控制信息。因此對自動控制系統要有比較深刻的認識，含有很強的學習探究價值。自平衡小車的設計要點整體構思平衡車整體設計涉及的內容有：車體構造設計，硬件電路設計，軟件算法設計和實現。 在小車的構造設計上，應當盡量的確保車體重心在車體的中央，同時重心盡量的低，這樣能夠增加車體本身的本征穩定性，減輕背面系統算法和調試的難度。在小車的硬件設計上，電源必須要能夠穩定的輸出，并且滿足馬達驅動對功率的需求。同時，為了后期方便調試，應當留出某些例如電位器以及程序燒錄的調試接口，可大大簡化后期調試過程和節省大量調試時間。為了后期方便更換器件，將主板設計成了接插口的方式。在小車的軟件設計上，重要的難度在于對傳感器數據的濾波和融合分析以及PID調試上。姿態檢測系統雙輪自平衡小車通過陀螺儀GY521MPU-6050，加速度傳感器，stm32控制器，以及雙輪馬達驅動構成了閉環控制，而現在姿態檢測環節則是反饋源，猶如人的眼睛，耳朵等器官，是環境感知的入口。通過陀螺儀GY521MPU-6050能夠直接檢測到現在車身的角速度以及角加速度；同時由于重力會在小車車身傾斜的角度上產生一種分量，由此借助于加速度傳感器測出該分量，從而也就能夠間接的得出自平衡小車的車身傾斜角度。在陀螺儀傳感器和加速度傳感器的選用上面，由于是用于動態實時檢測，因此對它的實時性的規定比較高。另外，敏捷度和精確性也是比較重要的參考因素。綜合考慮下來，本方案陀螺儀傳感器選用的是MPU-6050，加速度傳感器選用的是即使有了上述傳感器能夠用來測出自平衡小車車體的現在姿態，但是由于慣性傳感器本身的某些特性，所測的值會受外界環境的溫度、震動等影響，繼而產生不同程度的誤差與噪聲。因此需要在采集傳感器數據后，在軟件中采用某些算法對這些傳感器測得的數據進行分析二次解決，同時對陀螺儀傳感器和加速度計傳感器采集的數據進行融合分析后，再計算出現在小車的姿態，此時的成果將更加精確和穩定。控制算法自平衡小車由于重力因素本身沒法保持平衡，需要根據反饋來調節本身的狀態達成平衡。控制系統中陀螺儀GY521MPU-6050傳感器和加速度傳感器，stm32微控制器，馬達驅動構成了閉環的控制系統。加速度傳感器，陀螺儀GY521MPU-6050傳感器采集現在自平衡小車姿態，微控制器對傳感器數據進行濾波和分析，進而控制馬達驅動，調節自平衡小車現在姿態。控制算法采用了工業中慣用的反饋調節算法:PID。PID算法在工業控制類的場合中有著廣泛的應用，在應用中充足驗證了算法的可行性可優越性。本文重要研究目的與內容本設計設計了一種雙輪的自平衡車，在適度的環境不利因素下也能夠保持自主站立。同時也能夠在Android手機端的App通過藍牙控制小車邁進，后退，轉彎。在設計的過程中探究了陀螺儀傳感器和加速度傳感器的互補特性，并用融合算法將兩者所測數據結合起來進行分析，獲得了更為精確的車身姿態。設計具體涉及：(1)車體的機械構造：涉及車輪驅動，重心調節，傳感器安裝，為后期開發提供良好的物理基礎；(2)小車硬件電路：電源必須要能夠穩定的輸出，并且滿足馬達驅動對功率的需求。馬達的驅動十分重要，它是能夠及時調節小車姿態的核心因素；同時，為了后期方便調試，留出了某些例如電位器以及程序燒錄的調試接口，可大大簡化后期調試過程和節省大量調試時間。為了后期方便更換器件，將主板設計成了接插口的方式。(3)小車軟件算法：通過陀螺儀GY521MPU-6050傳感器和加速度傳感器檢測現在小車姿態數據，微控制器獲取傳感器數據進行分析，通過PID算法得出對應的控制力度，從而調節自平衡小車馬達驅動驅動下的小車轉速，最后修正現在小車姿態。但是，由于陀螺儀GY521MPU-6050傳感器所測的角速度和角加速度以及加速度傳感器所測的加速度會受環境噪聲的影響，角速度只在很短的時間內穩定，而加速度傳感器所測數據的白噪聲十分嚴重，因此最佳采用兩者的互補特性來設計卡爾曼濾波器來算出穩定精確地傳感器數據。(4)PID調節算法：系統分為兩路閉環控制：一路是自平衡小車的傾斜角度的閉環控制，用來保持車體平衡；另一路是自平衡小車的速度閉環控制，用來維持車體在一種指定的速度運動。2.系統原理分析控制系統規定分析根據設計目的，自平衡小車能夠自主保持平衡，并且能夠抵抗一定程度的外部環境的干擾。并且能夠在Android手機端App的控制下，實現向前運動，向后運動，以及轉彎等動作。結合系統分析能夠懂得，維持自平衡小車站立和前后運動的動力都來自于自平衡小車的兩個車輪，而車輪是由兩個直流馬達驅動的。因此，能夠將自平衡小車作為一種調控對象，自平衡小車的兩個車輪的作為控制系統的控制量。整個系統分為3個部分：(1)自平衡小車的站立控制：小車的傾斜角度作為輸入參數，通過控制馬達的轉速來保持小車的自平衡。(2)自平衡小車的速率控制：在能夠自主站立的基礎上，通過變化自平衡小車的傾斜角度來完畢對車體運動速率的調節，其實仍是通過對馬達的調控來完畢小車車體運動速率的修改。(3)自平衡小車轉向調節：通過調節自平衡小車兩個車輪的轉速，構成差速從而實現小車的轉向調節。平衡控制原理分析維持小車自主站立的直接靈感來自于我們的平時經歷。人能夠通過控制身體以及手的移動方向和速度，來保持手指尖撐住的直桿挺立不倒。在保持直桿平衡的過程中，人需要完畢兩個操作：一是人眼能夠實時并精確地觀察到直桿現在的姿態，二是手指能夠根據現在直桿的姿態來快速調節本身位置和速度。這事實上就是本方案中的平衡車站立閉環負反饋控制。圖2-1維持直桿站立的負反饋調節系統自平衡小車的自主站立也是通過負反饋的調節來完畢的，與在指尖維持直桿站立原理基本一致。由于車體只有兩個車輪與地面接觸，本身穩定能力極差，在重力的作用下極容易傾倒。小車上的放置的陀螺儀GY521MPU-6050傳感器和加速度傳感器能夠對小車的現在姿態進行實時測量，微控制器分析后控制車輪的旋轉，抵消傾斜力矩則能夠達成維持小車平衡的目的。如圖2-2所示。圖2-2通過車輪旋轉保持小車平衡自平衡小車數學模型兩輪自平衡小車受力分析為了更加好地實現小車的平衡，需要精確地得出小車現在姿態與馬達輸出之間的數學模型。重力環境下繩索掛著物體能夠被抽象成為抱負的倒立擺模型，本文中的兩輪自平衡車能夠被看做為倒立擺模型來進行分析，如圖2-3所示。圖2-3倒立擺模型對單擺進行以下的受力分析以下圖所示。圖2-4單擺受力分析當重物偏離中心的平衡位置后，就會受到重力與線的張力的合作用力，迫使重物回到中心處。這股合力被稱為回復力，它的值為：（式2-1）停止的倒立擺受力狀況以下，如圖2-5所示。圖2-5倒立擺受力分析圖由該受力分析可知，其回復力大小為：（式2-2）對于處在平衡位置的單擺而言，當它離開中心位置時，它所受的合力與它的位移相反，因此合力能夠驅使它回到原處；但是對于倒立擺，當它離開中心位置時，所受到的合力與位移卻剛好是同向的，因此此時會加速遠離中心位置，最后傾倒。通過判斷能夠懂得，要使倒立擺能夠有與偏離方向相反的回復力，則必須施加另一種力與偏移方向相反，從而使倒立擺所受合力與偏移方向相反，也即回復力總是指向中心位置，達成能夠平衡的目的。通過調節自平衡小車底部車輪轉速，使其做加速運動。在此情形下再來分析倒立擺的受力狀況，以下圖2-6所示。圖2-6非慣性系中的倒立擺受力分析由于自平衡小車車輪做加速運動，倒立擺會受到慣性力。設車輪運動造成倒立擺產生的加速度的值為α.若以地面作為參考系，能夠得知倒立擺受到的慣性力為：（式2-3）因此，倒立擺受到的合力為：（式2-4）在實際控制系統當中，偏離角度θ很小，能夠對其進行簡化解決。系統中小車加速度α與偏離角度θ為正比關系，令比例系數為，則式2-4可變換為：（式2-5）則小車的車輪的加速度應當為：（式2-7）式中為傾斜角度，為傾斜角速度，、為比例系數。PID控制器設計PID控制器原理反饋調節系統普通包含三個環節：檢測，比較和輸出。檢測的值與預期值相比較，根據誤差量來控制輸出糾正系統偏量。PID控制器是現在工業系統中應用十分廣泛的一種反饋控制系統，在這里十分合用于小車的平衡反饋控制。PID由比例控制，積分控制，線性控制三個部分線性疊加而成。PID調節含有可靠性好，算法簡樸，穩定性高，調試起來簡樸諸多優點。因此PID控制器自被采用以來，，在工業中被廣泛應用。PID控制器由比例控制單元（P）、積分控制單元（I）和微分控制單元（D）三個部分構成。它的輸入e(t）與輸出u(t）的模型為：(式2-11)其中為比例控制的系數參數；為積分的時間固定參數；為微分時間的固定參數。PID控制器設計在本系統的反饋調節中，與角度成比例的控制量采用比例控制，與角速度成比例的控制量采用微分控制，因而自平衡小車在采用PID控制模型胡的輸出方程可寫為：(式2-14)式2-14中，為PID控制輸出量，Angle為反饋傾角值，Angle_dot為反饋角速度值，Kp和Kd分別為比例系數及微分系數。3.系統硬件電路設計硬件電路整體框架：硬件電路是整個系統可行性和可靠性的基礎。既要能夠滿足需求，也要能夠穩定，高效的工作。系統硬件框架以下：系統運作流程介紹：電源供電部分給各個器件按對應所需電壓進行供電，陀螺儀GY521MPU-6050和加速度傳感器采集小車現在姿態數據通過IIC接口發送給主控STM32F103RB，主控對數據分析后作出對應反映控制馬達驅動變化馬達轉速修正小車姿態。馬達測速部分將所測速度反饋給主控制器STM32F103RB，主控對數據分析后作出對應反映控制馬達驅動變化馬達轉速修正小車速度與盼望值一致。同時，主控STM32F103RB也可接受從手機端APP通過藍牙發送過來的指令，進而根據指令控制小車作出對應操作。下面分各個部分進行介紹：電源供電部分：系統采用航模電池進行供電，輸出電壓12V；12V電壓通過低壓差線性穩壓器LM2940后可輸出5V電壓給藍牙模塊和陀螺儀GY521MPU-6050供電。5V電壓通過低壓差線性穩壓器LT1117后可輸出電壓給主控stm32、測速模塊等供電。主控制器部分：本方案采用的主控制器是意法半導體公司的高性價比控制器芯片：STM32F103RB。它是一種32位的解決器，采用的是ARM的thumb精簡指令集，使用低功耗的CORTEX-M3的

32位ARM核心。控制器本身帶有256KByte的flash,和40KByte的SRAM。含有2個12位的模數轉換器，3個通用的16位TIMER,一種PULSE寬度調制器，多達2個IIC串行通信接口，以及2個SPI串行通信接口，3個USART串行通信接口，1個USB傳輸接口和一種控制器局域網絡接口。它的供電的電壓為伏~伏，工作的溫度范疇為-40°C到+85°C，并且擁有某些列的低功耗模式，能夠極大的減少系統在非工作模式下的功耗。該款控制器一共擁有六十四個引腳，能夠充足支持本方案所需要的多個外設模塊。既能夠使用內部時鐘也能夠使用外部時鐘源，外部的晶振頻率推薦頻率為12兆赫茲。電源供電電壓范疇為伏～伏：電源供電引腳為通用輸入輸出引腳和內部的各類器件進行供電。

模擬地，模擬供電

電壓范疇為伏～伏：為模數轉換器、RST電路、內部時鐘源和鎖相環等部分提供電源。使用模數轉換器時，模擬供電的電壓不能夠不大于伏。模擬供電

電壓和模擬地必須分別連接到電源供電電壓和地。

備份電源電壓范疇為

～伏：當關閉電源供電電壓輸入時，(通過內部電源切換器)為實時時鐘、EXTERN32k赫茲晶振和BKP寄存器進行供電。STM32F103RB采用的是可嵌套的VECTORINTERRUPT

，該低功耗控制器嵌入一種嵌套INTERRUPTVECTOR控制器能夠支持不同的優先級中斷進入。 緊密耦合的NVIC提供低延遲中斷解決 中斷入口向量表地址直接傳遞到核心 緊密耦合的NVIC核心接口 允許早期解決中斷 解決遲到的高優先級中斷 支持尾鏈 解決器狀態自動保存 中斷入口恢復中斷出口沒有指令的開銷在本方案中用到了STM32F103RB控制器的以下外設：內部FLASH:用來存儲程序和靜態數據；內部SRAM：用來寄存程序運行過程中的動態數據，例如堆，棧等。GPIO:通用串行輸入輸出引腳，用來驅動LED作為批示功效。USART：通用串行通信設備，用來與藍牙模塊連接，與藍牙模塊進行通信，設立藍牙模塊工作方式，接受藍牙模塊發來的控制命令。SPI:串行通信設備，用來與陀螺儀GY521MPU-6050等傳感器進行通信，接受傳感器發來的數據，進行后續數據分析。AD:模數轉換器，重要用于方便后期功效調試，通過電位器就能夠了修改程序運行的有關參數，大大簡化開發環節和節省調試時長。JTAG:原則芯片調試接口，重要用來下載程序和調試程序。主控制器stm32f103RB最小系統電路設計:本設計采用意法半導體公司32位單片機stm32f103RB為控制器，其最小系統的電路如圖3-3，重要有控制器供電部分、復位電路部分、外部時鐘部分，啟動選擇部分。由于控制器內部集成了FLASH、SRAM、PWM、SPI、IIC、USART、TIMER、AD等模塊，因此使用起來特別方便。陀螺儀傳感器部分：本方案中采用的陀螺儀傳感器的型號為MPU-6050，它的內部同時帶有陀螺儀傳感器和加速度傳感器的功效，內部尚有可自定義進行功效拓展的協解決器。除此之外，還能夠運用MPU-6050的IIC通用串行數據傳輸接口來連接一種額外的DIGITAL傳感器，例如溫度傳感器。MPU-6050分別對它的陀螺儀傳感器和加速度傳感器使用了一種16位精度的模數轉換器，將它的模擬信號量轉化為能夠輸出的數字信號量。為了在不同的情形下使用不同的測量范疇和測量速度，該SENSOR的檢測精度和速度是能夠通過程序進行自主設立的，陀螺儀傳感器的可測量范疇為-250dps到+250dps，-500dps到+500dps，-1000dps到+1000dps，-dps到+dps。加速度計可測量范疇為：-2g到+2g，-4g到+4g，-8g到+8g，-16g到+16g。MPU-6050上有1KByte的緩沖區域，有助于增加系統節能效率。和全部設備之間通信采用400K赫茲的IIC接口或者1M赫茲的SPI接口。MPU-6050的供電電源電壓范疇為伏~伏。MPU-6050有一種可用來編程的中斷體系，能夠采用在中斷的引腳產生中斷信號，狀態標志寄存器能夠闡明中斷信號的來源。本方案中采用IIC接口與MPU-6050進行通信，IIC硬件連接相對比較簡樸，只需要兩根線（SDA數據線、SCL時鐘線）即可完畢數據的傳輸，并且速度也能滿足本方案的需求。馬達驅動電路:本方案采用的驅動電路方案為：文獻夾中有電路圖需要截圖使用。馬達旋轉方式IN1IN2IN3IN4調速PWM信號調速端A調速端BM1正轉高低//高/反轉低高//高/停止低低//高/M2正轉//高低/高反轉//低高/高停止//低低/高測速部分：對于檢測自平衡小車小車車輪的旋轉速率有這下面幾個方案：光反射法。運用不相似色彩物體對光的吸取成果不同的原理，在馬達軸上安裝的轉盤上繪制一條反光較強的線，然后在同一端用光源照射并采用光-電感應器件采樣轉盤的反射光，形成PULSE信號，通過對單位時長段內的PULSE數量統計，就能夠計算出馬達的旋轉的速率。光柵法。在馬達軸上安裝一種轉盤，轉盤上均勻分布有扇形槽孔，在轉盤的兩端分別放置紅外發射端和紅外接受端，在馬達旋轉時，紅外接受端則會產生對應的PULSE信號，通過對單位時長內的PULSE統計，就能夠計算出馬達的旋轉的速率。霍爾開關檢測法。同樣也是在馬達旋轉軸徑上安裝一種轉盤，轉盤上同時安裝一種帶有磁性的塊狀物體，在它的旋轉途徑環外部安裝一種霍爾檢測器件開關，在馬達旋轉時，霍爾檢測器件開關則能夠響應定時的電磁信號，形成PULSE信號，通過對單位時長內的PULSE統計，就能夠計算出馬達的旋轉的速率。對于上述三種方案，光束在反射的過程中容易受環境光的干擾，而第二種方案光柵法相對于第三種方案霍爾開關檢測法實施起來更為方便。因此本設計中采用的測速方案為光柵法來測量馬達的轉速。測速的電路以下：調試部分ADJTAG：有原理圖需要截圖為了方便調試，在硬件構造上增加了以下調試接口：JTAG接口：JTAG是一種原則的芯片調試接口，一共有20個引腳。其中重要引腳功效分別以下所述：TRST:芯片復位的引腳，用來在調試或者下載程序時對對應芯片進行復位操作。TDI:JTAG測試數據通過串行通訊的傳輸引腳。TMS：JTAG的測試調試模式的選擇。TCK:JTAG的測試的時鐘輸入引腳。TDO:測試數據通過串行通信數據輸出的引腳。VCC:電源正極引腳。VSS:電源負極引腳。將其置于電路板上，重要用于程序的在線下載和調試，能夠極大的加緊開發效率。同時，也在電路板上放置了4個電位器調試接口，能夠在程序運行時方便的修改某些系統參數，而不需要每次重新更改程序，然后下載程序再次上電測試。這樣也是極大的簡化了調試環節，節省了開發時長。藍牙通信部分：ZK-07為了更加方便的實現控制自平衡小車的邁進、后退和轉向，有以下幾個方案可供選擇：1通過在小車上放置按鍵來控制小車的運動方式。這種方式即使實現起來十分簡樸，但是在操控的時候十分不便，并且也不夠實時。因此放棄此方案。2通過紅外遙控。在自平衡小車上安裝一種紅外接受器，在另一端持有一種紅外發送裝置，能夠實時的向自平衡小車發送控制命令，實現對小車靈活的控制。但是紅外的信息發送和接受必須規定兩端接口方向基本一致，對于移動中的小車來說，顯然不太適合。通過433頻段的電磁波遙控模塊進行命令的發送和接受，此種方案既能實現實時遠程控制，也沒有對發送過程中方向的限制，是一種比較好的方案，但是這規定額外制作一種發送器。通過手機的藍牙與自平衡小車進行通信，除了第三種方案的優勢以外，還能夠簡化系統構造。最后選用第四種方案。本方案選用的藍牙模塊為ZK-07，它是眾多藍牙透傳模塊中的一種。ZK-07藍牙模塊能夠通過通用串行傳輸USART與各類控制器進行數據傳輸。通信傳輸過程中，采用AT命令來調節藍牙模塊多個參數，例如通信測試，修改藍牙模塊名稱，修改串口傳輸波特率，修改藍牙配對密碼等。ZK-07的串口初始

BAUD是9600bps,藍牙模塊中全部設立好的參數在斷電之后仍然不會丟失。通過AT指令對藍牙模塊進行適宜設立之后，就能夠發送命令使藍牙模塊進入透傳模式，與手機端的藍牙進行通信。透傳是指，兩端傳輸數據時不用理解中間傳輸的過程，實現所發即所得。在本方案中，主控芯片通過USARTA1接口與藍牙模塊進行通信，小車上的藍牙模塊與手機端的藍牙配對成功后，即可進行數據通信，在手機端給自平衡小車發送對應的命令，小車接受對應命令后調節本身向前行進，向后行進，以及左右轉向等操作。本章小結本章節重要闡明了系統硬件電路部分的設計，涉及控制器STM32F103RB最小系統電路，供電部分模塊設計，陀螺儀傳感器MPU-6050電路設計，加速度計傳感器電路設計，基于H橋的馬達驅動模塊的設計，光柵法側馬達旋轉速率模塊的設計，輔助調試電位器、JTAG模塊設計，藍牙模塊通信部分模塊設計。至此，本設計中硬件電路的設計環節完畢。4.系統軟件設計軟件系統總體構造前面闡明了自平衡小車體系的原理部分，建模部分，硬件電路設計部分。本章將介紹本設計中的軟件系統設計部分，控制過程的構思和實現是最重要的部分。軟件設計重要涉及以下內容：各類外設驅動，其中涉及USART驅動，IIC驅動，PWM外設驅動，定時器驅動，陀螺儀MPU6050傳感器、加速度傳感器驅動，AD驅動。以及各外設及模塊的初始化，小車姿態數據的獲取以及濾波，小車車輪速度測量，以及適配本系統的PID算法。控制系統的運作流程框圖如圖4-1所示。圖4-1系統總體軟件流程圖系統初始化過程軟件系統初始化重要涉及以下這幾部分：中斷初始化、模數轉換部分（AD）、通用串行通信模塊（USART），定時器（TIMER）及PWM模塊等。模數轉換模塊（AD）初始化設立為了在后期更加好的調試，運用四個模數轉換器對外提供了四個系統參數調節接口。也就是說，不需要重新修改程序再次下載上電，就能夠在程序運行中修改系統參數來對系統進行調試。STMF103RB的模數轉換器外設AD有16個通道，最高精度可達12位，單次采樣時間最短可至微秒。初始化過程以下：通用串行通信USART初始化通用串行通信USART模塊的初始化中重要設立以下參數：串口波特率，工作模式，停止位，中斷允許標志位，DMA與否啟動，校驗模式。初始化過程以下：光柵法測速模塊初始化在本設計中，通過光柵法來獲取小車速度。光柵接受端的PULSE數量與自平衡小車移動的距離成正比。根據光柵測量的PULSE數量來計算小車轉速有下列兩種方案：在單位時間內計數光柵產生的PULSE個數來計算小車速率，稱為M法測速；計算兩個相鄰光柵接受PULSE的時間差來測量小車速度，稱為T法測速；在上述兩種測速辦法中，第一套方法用于高速的應用效果更加好，第二套方法用于低速的應用效果更加好。在本設計中如果采用前者測速，馬達旋轉一圈會產生400個PULSE，高頻的中斷會影響控制系統的精度，因此本設計中采用第一套辦法來測量小車速度。平衡PID控制軟件實現自平衡小車在采用PID控制模型的輸出方程可寫為：(式2-14)式2-14中，為PID控制輸出量，Angle為反饋傾角值，Angle_dot為反饋角速度值，Kp和Kd分別為比例系數及微分系數。在本設計中，采用的調節自平衡小車車速的辦法是調節小車馬達電壓，輸出電壓與PWM驅動的占空比成正比。對應公式以下：Uout=Kp*angle+Kd*angle_dot(式4-8)式中：Kp、Kd為比例系數和微分系數，angle為車身傾角，angle_dot為車身傾斜的角速度。在調試的過程中發現，當自平衡小車偏移角度很小的時候，馬達的輸出量很小，但是由于馬達由靜止狀態轉為運動狀態時，需要克服一種靜態摩擦力，因此在此階段就存在一種調節死區：PWM有輸出，但是馬達并沒有旋轉。為了克服這種狀況，需要對馬達的輸出在低輸出區域增加一種死區賠償，增加系統在靜態時的穩定性。圖4-4馬達死區賠償有圖4-5自平衡PD控制軟件流程圖兩輪自平衡車的運動控制車速PID控制程序以下：5.總結與展望總結在本次畢業設計的過程中，經歷了一種完整的設計過程：自平衡車的自平衡原理探究和論證，整體功效設計，機械構造設計，硬件電路設計，軟件設計以及最后的實物制作和調試，最后完畢本作品。自平衡車的自平衡原理探究和論證重要包含物理模型分析，數學建模，PID原理分析部分；整體功效設計部分重要涉及了功效實現方案的選擇，各個功效模塊開發可行性分析；機械構造設計重要涉及小車機械主體搭建，整體重心調節，傳感器裝置的安裝等；硬件電路設計部分重要涉及電源供應模塊的設計，主控制器STM32F103RB最小系統模塊的設計，傳感器數據采集模塊的設計，兩輪馬達轉速測量模塊的設計，藍牙模塊數據傳輸模塊的設計，輔助調試模塊的設計，馬達驅動模塊的設計；軟件系統設計重要涉及各類模塊驅動的開發，傳感器數據的采集和濾波，馬達的轉速測量，馬達的轉速控制，主控制器以及各外設的初始化，藍牙模塊通信的開發以及PID控制器算法的設計；最后進行整個系統的調試和完善。本方案最后實現了雙輪自平衡小車的自主站立，能夠抵抗一定程度的外界環境干擾。同時，能夠在保持平衡的基礎上，通過Android手機控制小車的邁進、后退、和轉彎等操作。展望由于時間和能力有限，本設計只是完畢了一種簡樸地自平衡小車運動模型，