当两轮自平衡小车的两个轮子着地时，平衡小车的车体就会在轮子滚动的方向上发生倾斜。通过MPU6050传感器上返回的数据，利用卡尔曼滤波算法对加速度值和角速度值处理，进行数据融合后会就得到了平衡小车与垂直平衡方向上的夹角，即为小车的倾角，再根据加速度值和角速度值，可以利用PID控制算法让平衡小车实现角度控制、速度控制以及方向控制，驱动车轮转动，以抵消平衡小车在其运动方向上倾斜的趋势，从而使小车实现自平衡控制。

2。2 两轮自平衡小车的主要电子元件

① 需要一个MPU来控制各个部件，由于stm32[14]系列是基于专为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARM Cortex-M3[15]内核的芯片，而stm32f103又是“增强型”系列，所以这里选择了stm32f103c8t6作为主控制芯片；论文网

② 要获取到两轮平衡小车的倾斜角度，需要用到陀螺仪和加速度计来进行数据融合，才能使得到的倾斜角度更加的接近实际，mpu6050为全球首例整合性6轴运动处理组件[16]，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速度计时的轴间差[17]的问题，减少了大量的封装空间，所以这里采用了MPU6050作为传感器，来负责获取小车的倾斜角度；

③ 需要实时显示平衡小车的信息，滤波器和小车的运行模式，当前温度和超声波测量值，左轮编码器速度，右轮编码器速度，电池电压，小车的平衡倾角，这里采用了OLED液晶显示屏进行显示；

④ 还需要大容量电池保证小车在运动过程中的电量供应，因此采用了航模充电电池作为电源；

⑤ 电机驱动选取的是TB6612；

⑥ 要让小车能够移动，则必须需要电机，而我们选用的是永磁有刷电机，这个电机是额定电压12V的，如果工作在更高的电压下面，容易造成电机损坏，如果低于12V的电压如8V下面工作，电机达不到额定功率，扭矩和转速都会下降，性能下降；

⑦电机尾部自带了13线的磁（霍尔）编码器[18]，电机减速比1：30，故车轮转一圈，电机可以输出390个脉冲，倍频之后是1560。编码器，集成了上拉电阻和比较整形功能，可以直接输出方波。编码器一般使用5V供电即可。

2。3 两轮自平衡小车的机械结构

小车的整体结构如图2。1所示：

图2。1 小车实体结构图

小车的整体结构分为三层: 顶层是小车的芯片处理部分，小车的大部分数据处理都是在最上面进行；中间一层是电源部分，将电源放在中间层可以让小车的重心降低，从而可以更容易更快速的将小车调节到平衡稳定状态；最下面一层就是平衡小车的电机及轮胎部分，通过彩虹排线与驱动芯片连接，在相关控制程序的处理下，以一定的规律控制电机转速，从而维持小车的平衡。

2。4 本章内容小结

本章分析了两轮平衡小车平衡的原理，利用日常生活中的自然现象解释了应该如何控制才能够让小车达到平衡，将生活里的方法对应了相关的科学方法；并且讲述了两轮平衡小车上所用到的硬件元件，也将各个部件在平衡小车上的应用进行了讲解；最后讲了一下小车的整体结构设计分层。

3  系统的软件设计

3。1获取平衡小车的倾角

3。1。1 卡尔曼滤波算法介绍

卡尔曼滤波源自Rudolph E。 Kalman的博士论文，在1960年，Kalman发表了著名的论文《线性滤波与预测问题的新方法》，其中也很详细的讲述了Kalman filter的原理。简单的来说，卡尔曼滤波器是一种由Rudolph E。 Kalman提出的用于时变线性系统的递归性滤波器。卡尔曼滤波器目前已经有很多种不同的实现方式，Rudolph E。 Kalman最初提出的的形式是简单卡尔曼滤波器，后来，随着其他科学家的研究，又有了Schmidt扩展滤波器、信息滤波器等不同的滤波器的变种。在生活和科学领域内被广泛的应用着。