2。3。1 受力分析 6

2。3。2 小车运动函数方程 7

2。3。3 小车平衡方法 8

3 系统方案的分析与选择 10

3。1 主控芯片选择 10

3。2 姿态传感器选择 10

3。3 电机的选择 11

4 系统硬件电路设计 13

4。1 STM32F103RBT6 最小系统 13

4。2 电源模块设计 15

4。3 姿态传感器模块设计 16

4。4 电机驱动模块 18

4。5 系统总体硬件框图 20

5 系统软件设计 22

5。1 系统软件总体结构 22

5。2 单片机系统初始化 24

5。3 滤波器设计 25

5。4 PID 控制器设计 26

5。4。1 PID 简述 26

5。4。2 PID 控制器设计 27

6 调试 31

7 总结 34

致谢 36

附录 37

1 前言

1。1 研究的背景和意义

近年来，随着科技的发展与进步，移动式机器人的科研不断深入，越来越 成为最活跃的领域，移动式机器人的应用也越来越多，所面临的处境也越来越 繁杂，这就对机器人的性能提出了更加高的要求。此外，计算、传感、控制等 领域的技术不断发展也促进了移动式机器人的发展。

在这个研究背景下，平衡小车的整体概念和方案也就应运而生，平衡小车 使用共轴的两轮，但是两轮分别进行控制运动，既可以保持平衡，也可以灵活 的机动，因为其本身是一种非自然平衡体，所以需要研究相应的控制策略和控 制算法，用于对平衡小车的倾角进行修正，来保持小车的姿态平稳。

在实际应用中，由于自平衡小车比较小巧灵活，可以在比较狭窄的环境下 工作，不失为一种安全、便捷、小巧灵活的绿色出行工具，并可能成为未来单 人便捷交通工具的替代工具，非常有市场前景。

在理论研究的意义上，由于平衡小车对的重心在轮轴之上，自身姿态不能 稳定，需要通过对电机进行相应的控制，维持姿态的平衡，通过处理器、传感 器、软件、驱动、电机之间的协调运作来维持小车的自身平衡，是一种集多功 能于一体的复杂非线性系统，对其控制算法的研究具有较强的理论意义。

1。2 国内外研究现状