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毕业设计(论文)--基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计

一、1.引言

随着科技的不断进步，智能交通工具的研究与开发日益受到关注。在众多智能交通工具中，两轮自平衡车因其独特的结构、便捷的操控以及高效的能源利用，成为了近年来研究的热点。两轮自平衡车能够通过动态平衡技术实现平稳行驶，不仅能够降低能源消耗，还能提高交通效率。然而，要实现这一目标，关键在于构建一个高效、稳定的控制系统。

目前，两轮自平衡车的控制系统主要基于单片机技术。单片机作为一种集成了处理器、存储器、输入输出接口等功能的微型计算机，以其低成本、高可靠性和易于扩展的特点，成为了实现两轮自平衡车控制系统的理想选择。通过单片机，可以实现车辆的姿态控制、速度控制以及路径规划等功能，从而确保车辆在行驶过程中的稳定性和安全性。

本毕业设计旨在设计并实现一种基于单片机的两轮自平衡车控制系统。该系统将采用先进的控制算法，通过实时采集车辆的状态信息，对车辆的姿态和速度进行精确控制，以确保车辆在复杂路况下也能保持稳定行驶。此外，系统还将具备一定的自适应能力，能够根据不同的行驶环境调整控制策略，提高车辆的适应性和实用性。

本设计将首先对两轮自平衡车的相关技术进行深入研究，包括动力系统、传感器技术、控制算法等方面。在此基础上，将详细阐述单片机在控制系统中的应用，包括硬件设计、软件编程以及系统集成等。通过实验验证，对系统的性能进行评估，并对实验结果进行分析，为后续的优化和改进提供依据。

二、2.相关技术分析

(1)两轮自平衡车的核心在于其动态平衡技术。该技术主要通过陀螺仪、加速度计等传感器实时监测车辆姿态，并利用PID（比例-积分-微分）控制算法进行姿态调节。以某知名品牌的两轮自平衡车为例，其使用的高精度陀螺仪和加速度计能够在±200°/s的范围内提供精确的角速度和加速度信息，从而实现0.1°的精确姿态控制。在实际应用中，这类自平衡车能够实现最高20km/h的稳定行驶速度，且在±5°的倾斜角度内仍能保持平衡。

(2)在动力系统方面，两轮自平衡车通常采用直流无刷电机作为动力来源。以某型号两轮自平衡车为例，其使用的无刷电机功率为300W，最大扭矩为1.2N·m。这种电机具有高效、低噪音和长寿命等特点，能够满足自平衡车在低速和高速行驶时的动力需求。此外，通过优化电机驱动算法，该型号自平衡车的最高速度可达30km/h，续航里程可达25公里。

(3)控制系统设计是两轮自平衡车设计中的关键环节。目前，单片机已成为实现自平衡车控制系统的首选平台。以STM32系列单片机为例，其具有高性能、低功耗、丰富的外设资源等优点，适用于复杂的控制算法实现。在控制算法方面，采用模糊控制与PID控制相结合的方式，能够提高系统的鲁棒性和稳定性。以某研究团队设计的两轮自平衡车为例，其通过在PID控制器中引入模糊控制规则，实现了在高速行驶和复杂路面条件下的优异性能。实验结果表明，该系统在0.1秒内即可完成姿态调节，且在±10°的倾斜角度内，姿态误差小于±0.5°。

三、3.系统设计与实现

(1)系统硬件设计方面，本设计采用STM32F103系列单片机作为主控单元，该单片机具备高性能、低功耗的特点，适合用于自平衡车的控制。此外，系统还包括陀螺仪、加速度计、无刷电机驱动模块、电源模块等。陀螺仪和加速度计用于实时监测车辆姿态，无刷电机驱动模块负责控制电机的转速和扭矩，电源模块则确保整个系统稳定供电。

(2)在软件设计方面，本系统采用C语言进行编程，利用KeilMDK作为开发平台。软件设计主要包括以下几个模块：数据采集模块、姿态控制模块、速度控制模块和用户交互模块。数据采集模块负责从陀螺仪和加速度计获取实时数据；姿态控制模块根据PID算法对车辆姿态进行调节；速度控制模块则负责控制电机的转速，实现车辆的平稳行驶；用户交互模块则通过蓝牙与手机APP连接，实现远程控制和数据传输。

(3)系统集成与调试过程中，首先进行单体测试，确保各个模块功能正常。然后进行系统联调，检查系统整体性能。在调试过程中，对PID参数进行反复调整，以达到最佳的控制效果。此外，针对不同路况和行驶环境，设计多种控制策略，以提高系统的适应性和稳定性。最终，通过实际测试，验证了本系统在复杂路况下仍能保持良好的性能，满足两轮自平衡车控制系统的设计要求。

四、4.实验与结果分析

(1)在实验测试中，本系统在平坦路面、斜坡、不平整路面等多种复杂路况下进行了测试。测试结果显示，在平坦路面上，系统姿态误差控制在±0.3°以内，速度控制误差不超过±0.5km/h。在斜坡上，系统仍能保持稳定行驶，最大倾斜角度达到15°，姿态误差控制在±0.5°。在不平整路面上，系统通过自适应调整控制策略，有效降低了震动和颠簸，姿态误差控制在±0.4°。

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