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南阳理工学院毕业设计（论文）开题报告电子与电气工程学院电气工程及其自动化专业课题名称：自平衡小车设计1 .本课题所涉及的问题在国内(外)的研究现状综述(1)本课题主要涉及问题：两轮自平衡小车是一个集动态决策和规划、环境感知、行为控制和执行等多种功能于一体的综合复杂系统，其关键是在解决自平衡的同时，还能够适应在各种环境下的控制任务。通过运用外速度传感器、角速度传感器等，可以实现小车的平衡自主前进。两轮自平衡小车的研究在美国、日本、瑞士等国得到迅速的发展。早些年国外很多公司建立了多个实验原机型，提出来众多解决平衡控制的方案，并对原机型的自动平衡性能与运动特性进行了验证。通过对两轮自平衡系统的改造，可快速方便的应用到众多环境中去，如承载、运输、代步等。这其中蕴藏着巨大的商机，如今像美国的SegWay-ninebot等平衡车已经面试，而国内相应的研究比较滞后，目前生产平衡车的核心技术还主要靠引进。而设计出一款可以独立行走的双轮自平衡小车，一个集动态决策和规划、环境感知、行为控制和执行等多种功能于一体的综合复杂系统，其关键是在解决自平衡的同时，还能够适应在各种环境下的控制任务。通过运用外速度传感器、角速度传感器等，可以实现小车的平衡自主前进。(2)国外研究现状：近十年来,两轮自平衡车引起国外许多研究机构和研究者的极大关注,各种基于不同目的、不同设计方案和控制策略的自平衡系统相继诞生。美国SegWayLLC公司开发的SegWayHT两轮平台电动车把人们从传统的“三点平衡”和以低重心、大商稳的底盘设计来避免倾斜的束缚中解脱出来，通过检测车体的角度和角述度.用适当的回复转矩来避免倾到摔倒。系统利用5个惯性比率传感器(陀螺仪)、2个倾角侍感器、电机编码器和-世光学脚垫传感嚣把系统的的状态提供给了控制器，控制器经过运算确定输入给电机的能量大小。比如JOE,JOE是瑞士联邦技术学院FelixGrasser等人研制的双轮移动车。该有65cm高、重约12kg,最大速度可达1.5ms,可爬30度的斜坡。它用DSP和FPGA控制并基于倒立摆理论。车轮同轴布置,分别有独立电机驱动。通过倾斜传感器和倾角传感器来检测车体的倾斜角度和倾斜角速度。每个电机上各有一个编码盘来检测电机的速度,并由此来获得车的加速度和惯性力。(3)国内研究现状：在所有研制的两轮自平衡车中，国外的车占了绝大部分;国内主要还处在理论研究阶段，国内生产的机器比如小米平衡车等也是运用了国外的技术数据文件，目前国内现阶段只开发了少数实验原型机。比如SWay,SWay车是由哈尔滨工程大学尹亮制作的双轮移动车实物。SWay由上位机和车体两大部分构成,两者分离,并通过无线通讯交换数据。Sway车的特点为：a.高速(25MIPS)低功耗的SOC单片机为各种复杂算法的实现提供了保障,丰富的片内外设为高速数据采集及PwM调制信号的生成提供了方便,片内温度传感器方便对温度的采集。片内JTAG功能为程序的调试及对系统的现场编程提供了方便。b.高效的H型PWM电路提高了电源的利用率,实现了电机的平滑变速。c.双轴加速度传感器及光电传感器的使用提高了车体倾斜角度检测的精度。2 .本人对课题任务书提出的任务要求及实现预期目标的可行性分析(1)任务要求：1、熟悉并掌握STM32单片机及各个模块的应用，并合理规划其之间的连接。2、独立完成硬件焊接及组装，软件编程及调试。3、小车能够不依靠外力保持平衡，并可控制其运动方向。4、实时显示小车姿态，观察直观。(2)可行性分析：1、研究的必要性：与传统四轮汽车相比,两轮自平衡车主要有如下优点：(1)体积小、重量轻、车体结构简单、便于携带；(2)使用方便、操纵简单、机动灵活、稳定性佳；(3)能实现原地回转和任意半径转向,行驶路径灵活易变；(4)使用及停放方便,适用于场地面积较小的场合；(5)只需对电池进行充电即可长时间使用,不会给环境带来污染。鉴于上述优势,两轮自平衡车的应用前景十分广泛。2、设计原理可行性：通过老师讲解和查看书籍，再进行实地实践。3、知识能力的可行性：通过本科阶段学校开设的电路理论、模拟电子技术基础、单片机等，以及对资料的学习为该驱动电源电路设计打下了坚实的基础，从而能够运用所学的知识在努力思考，勤于动手的前提完成本次的毕业设计内容。4、实验条件的可行性：在我校电子与电气工程学院综合实验室和测试设备支持下，前期的资料整理与收集，根据要求进行设计、调试与测试分析，并且在有关方面指导老师的丰富经验帮助下，将理论与实际相结合起来，我相信在老师的精心指导与帮助下能够按计划完成本次研究任务的设计。3 .本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路(1)重点研究1、两轮自平衡小车的硬件方案设计2、单片机控制程序编写3、滤波算法对姿态信息的处理(2)关键问题：1、电源方案，单片机选型，姿态传感器2、编程环境3、滤波算法参数调试(3)解决思路：通过查阅资料发现如人类身体拥有丰富的感知器官,通过大脑调节便可以控制腰部及腿部肌肉保持人体的直立。那样一般人通过简单训练就可以让一根直木棍在手指尖保持直立不倒。这需要两个条件:一个是托着木棍的手指可以自由移动；另一个是人的眼睛可以观察木棍的倾斜角度与倾斜趋势(角速度)这两个条件缺一不可,实际上这就是控制系统中的负反馈机制，自平衡车的控制也是通过负反馈来实现的,与在指尖保持木棍直立比较则相对简单。由于小车只依靠两个车轮着地,车轮与地面会发生相对滚动使得小车倾斜。而小车上装载的姿态检测系统能够对小车的倾斜状况进行实时检测,通过控制器控制车轮转动,抵消在这个维度上的倾斜力矩便可以保持小车平衡。4 .完成本课题所必须的工作条件(如工具书、实验设备或实验环境条件、某类市场调研、计算机辅助设计条件等等)及解决的办法(1)实验环境：南阳理工学院电子与电气工程学院PLC实验室4603教室。(2)技术支持：南阳理工学院图书馆网站http:/202.102.240.81。(3)主要参考资料：1JosephYiu著，宋岩译，CorteX-M3权威指南(中文版详尽版)，20082STM32F10xxx参考手册(http:WWmcu),20083STM32固件库使用手册(译文英文原版为UM0427Oct.2007Rev2)4第七届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛电磁组直立行车参考设计方案(版本2.0),20125谭浩强.C程序设计M.北京:清华大学出版社,20056张志强.基于STM32的双轮平衡车.武汉理工大学：电子设计工程第19卷第13期,20117张伟民，段晓明，赵艳花.两轮自平衡小车控制研究.洛阳理工大学:控制理论与应用第30卷第4期,20118刘丹，朱毅，刘冰.MATLAB对卡尔变滤波器的仿真实现.武汉：中国科技论文在线5 .完成本课题的工作方案及进度计划第一阶段：熟悉任务，查找资料，进行开题；第1-2周第二阶段：完成元器件选型和方案论证；第3-5周第三阶段：结合资料，进行硬件电路设计；第6-7周第四阶段：完成控制系统的设计和软件编写与调试；第8-11周第五阶段：对设计内容进行分析和改进；第12周第六阶段：撰写毕业论文；第13-15周第七阶段：毕业答辩。第16周6 .指导教师审阅意见指导教师（签字）：年月日7 .学院毕业设计（论文）工作领导小组评审意见领导小组组长（签字）：学院（签章）年_月日说明：1 .本报告必须由承担毕业设计（论文）课题任务的学生在接到“毕业设计（论文）任务书”、正式开始做毕业设计（论文）的第2周或第3周末之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。2 .每个毕业设计（论文）课题撰写本报告一份，作为指导教师、毕业设计（论文）指导小组审查学生能否承担该毕业设计（论文）课题任务的依据，并接受学校的抽查。