唐 山 学 院
毕业设计（论文）开题报告
设计（论文）题目： 基于单片机的声控小车设计与实现
系 别：_________________________ 专 业：_________________________ 姓 名：_________________________ 指 导 教 师：_________________________ 辅 导 教 师：_________________________
2013年3月8日
张雅静 张雅静 张进超
电子信息工程 信息工程系
题目类型（打√选择）设计（√）论文（）
一、文献综述
随着电子、信息技术的飞速发展，语音识别被广泛的应用在各个领域。常见的应用领域有：语音输入系统，如于键盘输入方法；语音控制系统，如工业控制、语音拨号系统、智能家电、声控智能玩具等；智能对话查询系统，银行服务、股票查询服务等等[1]。
语音识别是一门交叉科学，涉及多门学科，包括信号处理、模式识别、概率论和信息论、发声机理和听觉机理等等[2]。语音识别技术是使机器通过识别和理解把语音转变为相应的文本或命令的技术。目前语音识别系统按核心硬件来分主要有：以PC机为核心硬件的语音识别系统和以专用芯片为核心的语音识别系统。本设计主要阐述了一种非常适合语音处理的单片机——凌阳SPCE061A的原理，并实现了基于凌阳SPCE061A单片机的语音遥控小车[3]。
传统的语音控制系统，如采用8051系列单片机中的AT89C51做为控制核心，语音信号经由声音传感器采集，然后经AD转换及专用的语音芯片对声音编码，并储存声音模型到外扩的flash芯片中。当外界语音命令输入时，单片机判断经AD转换后的数字信号与flash芯片中存储的语音模型的相似度，以此来识别外界语音命令[4]。这些都需要大量计算，普通的单片机往往不能实现这么复杂的过程和算法，即使勉强实现也要加很多的外围器件。这就不可避免的要增加个功能部件之间的连线，减弱了整个系统的抗干扰性，从而使语音控制、语音识别的精度降低。
而SPCE061A单片机不仅拥有同类型单片机的通用功能，而且最大的特点是它具有语音识别处理能力。决定了SPCE061A单片机不需要外扩语音识别模块，就能做到语音识别功能[5]。采用凌阳科技公司的SPCE061A单片机做为控制核心，采用MIC输入模块，把声音信号转换为电信号，输入到该单片机专用于声音的ADC通道，经自动增益AGC放大，几次语音命令训练，把由A/D转换后的数字信号即声音模型存储到32K的Flash中[6]。外界输入语音命令时，声音信号经由专用ADC通道转换，和已经存储的声音模型比较，当达到一定的相似度时，即判断为识别出语音命令，返回相应的函数值，以此来判断语音命令，根据此返回的命令值来驱动小车的、舵机和动力电机来实现小车的行驶状态的控制。此过程中根据语音命令的识别结果，使SPCE061A输出相应的语音提示，具有一定的人机交互功能[7]。
进行语音控制工作时由麦克风输入所生成的未经处理的音频资源数据量很大，对于普通单片机来说，数据的存储和传输都比较困难，这使得音频压缩编码成为音频处理的重要环节[8]。为了解决音频压缩编码凌阳公司提供了多种音频编解码算法及其API函数库，即SACM-LIB。该函数库将A/D、编码、解码、存储及D/A做成相应的模块，每个模块都有其应用程序接口API，只需了解每个模块所要实现的功能及其参数的内容，然后调用该API 函数即可实现该功能。本设计中小车应答所用的语音文件是事先由电脑制作完成后作为语音资源下载入单片机的Flash存储器中，再由相应的放音程序调用相应的语音资源来实现应答声的播放从而实现一定的人机交互功能。
二、设计（论文）主要内容
(1)利用系统的语音播放和识别资源来实现语音控制功能；
(2)通过凌阳SPCE061A 单片机开发板的MIC 实现人机交互对小车进行语音训练； (3)通过I/O 操作，实现小车的前进、左转、右转、后退等功能； (4)能在行驶的过程中改变小车的行驶状态；
(5)超出语音控制范围以后可以自动停车，完成语音的智能控制。
三、设计（研究）方案
该系统采用凌阳科技公司的SPCE061A 单片机精简开发板做为控制核心，采用MIC 输入模块，把声音信号转换为电信号，输入到该单片机专用于声音的ADC 通道，经自动增益AGC 放大，几次语音命令训练，把由A/D 转换后的数字信号即声音模型存储到32K 的Flash 中。外界输入语音命令时，声音信号经由专用ADC 通道转换，和已经存储的声音模型比较，当达到一定的相似度时，即判断为识别出语音命令，返回相应的函数值，以此来判断语音命令，根据此返回的命令值来驱动小车的、舵机和动力电机来实现小车的行驶状态的控制。此过程中根据语音命令的识别结果，SPCE061A 输出相应的语音提示，具有一定的人机交互功能。 下图为系统的总体框图 ：
图1 声控小车系统框图
MIC 输入 模块 语音输出
模块
SPCE061A
动力电机 模块
A/D 转换
编码解码
处理
存储
D/A 转换 IO 口
转向电机驱动
IO 口
四、工作进度安排
查阅文献，撰写开题报告第1-2周学习基于凌阳SPCE061A单片机的控制系统设计思路及过程，确定系统方案。第3-4周设计硬件电路，绘制电路原理图。第5-6周编写程序实现设计要求功能，利用仿真软件进行初步调试。第7-8周毕业实习。第9周
组装小车和连接控制电路与扬声器输出电路焊接，初步完成实物搭建。第10-12周对毕业设计进一步完善，提出改进思路。第13周
整理资料，撰写毕业设计说明书初稿。第14周
修改毕业设计说明书，准备毕业答辩。第15-16周
五、主要参考文献
[1] 薛钧义，张彦斌.凌阳十六位单片机原理及应用[M] .北京:北京航空航天大学出版社，2003
[2] 孔祥洪，孟健.凌阳十六位单片机原理及应用[M].北京航空航天大学出版社，2009
[3] 张培仁，张志坚，高修峰.十六位单片机微处理器原理及应用[M].清华大学出版社，2007
[4] 李晶皎.嵌入式语音技术及凌阳16位单片机应用[D].北京航空航天大学，2003
[5] 赵亮. 凌阳单片机应用系统设计[J].人民邮电大学，2006
[6] 卢胜利.基于凌阳SPCE061A设计教程[M].机械工业出版社，2006
[7] 李学海.16位单片机语音型SPCE061A单片机实用教程[M].北京人民邮电出版社，2006
[8] 张永贤.基于凌阳SPCE061A的智能语音控制系统.华东交通大学学报，2005
六、指导教师意见
签字：
年月日
七、系毕业设计（论文）工作领导小组意见
签字：
年月日
说明：文献综述栏目字数本科生不少于1000字，专科生不少于500字。
两轮自平衡小车毕业设计毕业论文 目录 1.绪论 (1) 1.1研究背景与意义 (1) 1.2两轮自平衡车的关键技术 (2) 1.2.1系统设计 (2) 1.2.2数学建模 (2) 1.2.3姿态检测系统 (2) 1.2.4控制算法 (3) 1.3本文主要研究目标与内容 (3) 1.4论文章节安排 (3) 2.系统原理分析 (5) 2.1控制系统要求分析 (5) 2.2平衡控制原理分析 (5) 2.3自平衡小车数学模型 (6) 2.3.1两轮自平衡小车受力分析 (6) 2.3.2自平衡小车运动微分方程 (9) 2.4 PID控制器设计 (10) 2.4.1 PID控制器原理 (10) 2.4.2 PID控制器设计 (11) 2.5姿态检测系统 (12) 2.5.1陀螺仪 (12) 2.5.2加速度计 (13) 2.5.3基于卡尔曼滤波的数据融合 (14) 2.6本章小结 (16) 3.系统硬件电路设计 (17) 3.1 MC9SXS128单片机介绍 (17) 3.2单片机最小系统设计 (19) 3.3 电源管理模块设计 (21) I
3.4倾角传感器信号调理电路 (22) 3.4.1加速度计电路设计 (22) 3.4.2陀螺仪放大电路设计 (22) 3.5电机驱动电路设计 (23) 3.5.1驱动芯片介绍 (24) 3.5.2 驱动电路设计 (24) 3.6速度检测模块设计 (25) 3.6.1编码器介绍 (25) 3.6.2 编码器电路设计 (26) 3.7辅助调试电路 (27) 3.8本章小结 (27) 4.系统软件设计 (28) 4.1软件系统总体结构 (28) 4.2单片机初始化软件设计 (28) 4.2.1锁相环初始化 (28) 4.2.2模数转换模块（ATD）初始化 (29) 4.2.3串行通信模块（SCI）初始化设置 (30) 4.2.4测速模块初始化 (31) 4.2.5 PWM模块初始化 (32) 4.3姿态检测系统软件设计 (32) 4.3.1陀螺仪与加速度计输出值转换 (32) 4.3.2卡尔曼滤波器的软件实现 (34) 4.4平衡PID控制软件实现 (36) 4.5两轮自平衡车的运动控制 (37) 4.6本章小结 (39) 5. 系统调试 (40) 5.1系统调试工具 (40) 5.2系统硬件电路调试 (40) 5.3姿态检测系统调试 (41) 5.4控制系统PID参数整定 (43) II
毕业设计(论文) 开题报告 设计（论文）题目：基于单片机的智能小车 学院名称：电子与信息工程学院 专业：电子与信息工程 班级：电信092班 姓名：杨介派学号09401180228 指导教师：胡劲松职称教授 定稿日期：2013 年1 月26 日
基于单片机的智能小车 1.课题研究背景和意义 智能化作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。智能车辆是目前世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动向。随着企业生产技术的不断提高以及对自动化技术要求的不断加深，智能车辆已在许多工业部门获得了广泛的应用。无论是从科学发展、理论研究的角度，还是从汽车工业发展以及市场竞争的角度看，对智能车辆的研究都是必要的。而智能小车的研究及相关产品开发也将有利于我国在此领域技术发展与进步。因此，研制一种智能，高效的智能小车控制系统具有重要的实际意义和科学理论价值。 2.国内外研究现状及发展趋势 2.1 国外智能车辆的现状研究 国外智能车辆的研究历史较长，始于上世纪50年代，它的发展历程大致可以分为三个阶段： 第一阶段：20世纪50年代是智能车辆研究的初始阶段。1954年美国Barrett Electronic 公司研究开发出了世界上第一台自主引导车系统，该系统只是一个运行在固定路线上的拖车式运货平台，但它却具有了智能车辆最基本的特征即无人驾驶。 第二阶段：从80年代中后期，世界主要发达国家对智能车辆开展可卓有成就的研究，在欧洲，普罗米修斯项目于1986年开始了在这个领域的探索，在美洲，美国于1995年成立了国家自动高速公路系统联盟，其目标之一就是研究发展智能车辆的可行性，并促进智能车辆技术进入实用化。 第三阶段：从90年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模的研究阶段。最为突出的是，美国卡内基-梅陇大学机器人研究所一共完成了Navlab系列的自主车的研究，取得了显著的成就。 2.2 国内智能车辆的现状研究 国内的许多高校和科研院所都在进行ITS关键技术、设备的研究，随着ITS研究的兴起，我国已形成了一支ITS技术研究开发的专业技术队伍。交通部已将ITS研究列入“十五”科技发展计划和2010年长期规划。相信经过相关领域的共同努力，我国ITS及智能车辆的技术水平
CHAHGZH0U 開TfRIE OF ENGINEERWG TECHNOLOGY 毕业设计（论文）开题报告 现状： 智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。其基本可实 现循迹、避障、检测贴片寻光入库、避崖等基本功能，这几届的电子设计大赛 智能小车又在向声控系统发展。比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。 我此次的设计主要实现循迹避障这两个功能。 智能车辆也叫无人车辆，是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶 等功能于一体的综合系统。它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、 自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。智能车辆的主要特点是在复杂的 道路情况下，能自动的操纵和驾驶车辆绕开障碍物并沿着预订的道路进行。智 能小车主要运用领域包括军事侦察与环境检测、探测危险与排除险情、安全检 测受损评估、智能家居。 发展趋势： 智能循迹小车可广泛应用于军事侦察、勘探、矿产开采等不便于人员实地 堪察 的环境。稍加改造，可应用于军事反恐、警察维和等领域，从而达到最大 限度的避免人员伤亡，保存战斗实力的目的。因此，具有重要的军事和经济意 义。 随着汽车工业的，其与电子信息产业的融合速度也显着提高，汽车开始向 电子化、多媒体化和智能化方向发展，使其不仅作为一种代步工具、同时能具 有交通、娱乐、办公和通讯等多种功能。智能小车是一个集环境感知、规划决 策，自动行驶等功能与异地的综合系统，它集中的运用了计算机、传感、信息、 通信、导航及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。 、基本信息 学生姓名 倪小玉 班级 电子0911 学号 2009238108 系名称 自动化技术系 专业 应用电子 毕业设计（论文）题目 智能循迹小车的设计 指导教师 李玮 二、开题意义 课题 的现状与 发展趋势
毕业设计（论文） 开题报告 题目：单片机控制单轴双轮自动平衡小车设计系别：电气工程系 专业：电气工程及其自动化 班级： 学号 学生姓名： 指导教师： 2016年 3月
中原工学院信息商务学院 毕业论文（设计）开题报告 论文（设计）题目单片机控制单轴双轮自动平衡小车 姓名系别电气工程系专业 班级 电气121学号6 1选题目的和意义： 平衡车是一个不稳定、强耦合、非线性系统，对平衡车的研究有利于我们更熟练得运用自动控制理论，并且发展更可靠稳定的控制方法。在实际应用中，平衡车由于体积小，灵活方便，不管是在军用或者民用领域都有广阔的应用空间，两轮自平衡小车可以作为一种小范围的移动式服务平台。通过本课题的研究学习，会使自己更加了解单片机，熟悉电子电路，提升自己的对整个设计的把握，更透彻的掌握自动控制方法。 2本选题在国内外的研究状况及发展趋势： 国外方面：JOE 是瑞士研制的用DSP和FPGA 控制并基于倒立摆理论双轮车。通过倾斜传感器和倾角传感器来检测车体。通过电机上的编码盘检测电机的速度。采用了基于状态反馈的线性控制策略，车的运动被分解成直线和旋转运动，然后分析直线运动和旋转运动，得到电机需要的控制量，最终把控制量耦合叠加。他主要的设计思想依然是：使车子朝车体倾斜的方向运动来保持车身的平衡。主控芯片是HC11 微处理器，此处理器是David P.Anderson 专门的针对nBot 车设计的。传感器在得到车的车身信息后，再比例整合，当作模糊控制器的输入，按照之前设定的控制原则得到两个电机需要的PWM 电压。该控制只能能让小车平衡运动，而不能让小车自主直立。Segway 拥有更多的姿态传感器，它有5个陀螺仪传感器，然而事实是检测车身前倾斜只需要3个传感器就够了，其他的两个传感器只是增加安全性。传感器的信息会被传送到一个电路板，这个电路板是微处理器的集群，效率是个人电脑的三倍。这个集群是为了保证本载人平衡车在其中任何一个处理器出现问题时能报告错误，给驾驶者以处理问题的时间余量，保证了平衡车的安全性。 国内方面：哈工大尹亮制作的双轮移动车Sway，车身倾斜度采用AD 推出的双轴加速度传感器ADXL202 及反射式红外线距离传感器来获得。基于PWM 动态控制直流电机的速度。车与上位机间的数据通信使用PTR2000 超小型超低功耗高速无线收发数传MODEM。人机交互界面使用图形液晶点阵、方向摇杆、按键。依靠这些可靠并且完备
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 课程设计说明书（论文） 课程名称：单片机课程设计 设计题目：智能循迹小车 院系：电气学院测控系 班级：光电五班 设计者：谢鹏、于鸿杰 学号：1110100426、 指导教师：胡瑞强 设计时间：2014.9.10 哈尔滨工业大学
哈尔滨工业大学课程设计任务书
开题报告 1 绪论 1.1课题目的 《单片机原理及应用》是一门应用设计类课程，也是一门工程实践性很强的课。做到理论与实践相结合，灵活运用、融会贯通，提高实际动手能力，是我们学习这门课的最终目的。在这次的单片机课程设计中，我们的主要目的是： （1）设计一辆电动小车，使它能够从起始端出发，自动地沿着黑线行驶。 （2）在此基础上适当地进行功能扩展，扩展目标初步定为：增加红外遥控功能。 进一步学习单片机原理及其应用，了解红外探测器的工作原理。 1.2 课题意义 电动智能小车的研究、开发和应用涉及传感技术、电气控制工程、智能控制等学科。智能控制技术是一门跨学科的综合性技术，当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。本课题所设计的智能电动小车能沿着黑线自动行驶，既具有操作机(机械本体)、控制器、直流电机驱动器和检测传感装置，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成灵活运动的自动化电子生产设备。 随着工业电子自动化的不断发展,工业机器人被广泛应用于工业生产的各个部门,如采掘、喷涂、焊接、医疗等各大领域。由于工业机器人的出现,它不断替代了人们的繁重劳动,大大提高了劳动生产率,减轻了人们的劳动强度,此外,它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作,日益体现出它的优越性。 电动智能控制小车模拟机器人的运作，可以通过自己的动手排除故障，更加可以给学生一个实践操作的空间，加强学生的动手能力和思维能力。在制作的产品中，发现一些比较符合实际应用的电动小车玩具，而且成本低廉，能够运用于实际生产并且有一定的新颖度，在社会有一定的需求。在制作中提高自身对社会需求方向的灵敏度，发现商机，为自己以后实现创业这个宏伟的目标中打下一个坚实的基础。 1.3 设计要求 （1）自动循迹小车从安全区域启动。 （2）小车按指定路线运行，自动区分直线轨道和弯道轨道，在指定弯路处拐弯，实现灵活前进、转弯等功能。 （3）小车完成指定运行任务。 （4）小车完成扩展部分功能：红外遥控。
王何成+S型无碳小车设计开题报告华东交通大学理工学院 题目: S型无碳小车设计 分院: 机电分院 专业: 机械设计制造及其自动化 班级: 12机制2班 学号: 20120410220202 姓名: 王何成 指导教师: 林金龙 填表日期: 2016年 3 月 2 日 一、选题的依据及意义: 我国经济的迅速发展使得对能源的需求增加，常规的化石能源供应不再生能源十分紧足的矛盾日益突出，我国的能源机构里，煤炭、石油与天然气等不可再生能源占绝大部分，新能源和可再生能源开发不足，这不仅造成环境污染等一系列问题，也严重制约能源发展，能源安全源和可成为我国必须解决的战略问题。发展新能迫发展新能源和可再生能源十分紧迫，也是世界各发达国家竞相研究的热点课题之一。无碳小车的研制，具有经济、环保、便利等优点，有助于我们找到更为环保绿色的能源，有利的能量转化途径，以及提高能量的利用效率。它将对传统能源的逐渐取代有深远意义。因此我们设计制作无碳小车，希望可以找到新的方法来缓解能源和环境问题。 二、国内外研究现状及发展趋势(含文献综述): 中国正处于工业化、城市化加速发展的历史阶段，能源需求有着很大的增长空间。为抑制高耗能行业过快增长，中国政府正研究建立能源消费总量控制制度，未
来将研究开征化石能源消费税，并实现原油、天然气和煤炭资源税从价计征。目前，我国“新兴能源产业发展规划”已编制完成，根据中国政府制定的“十二五”能源规划，到2015年中国能源消费总量将控制在41亿吨标煤左右，非化石能源占一次能源消费比重达到11.4%，到2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15%。 世界部分主要国家新能源发展状况 美国推行“绿色新政”，明确发展目标。根据奥巴马提出的新能源政策构想，美国将在可再生能源、节约汽车、分布式能源提供、天然气水合物、清洁煤、节能建筑、智能网络等领域探索出一个能实现利益最大化的创新战略。 日本通过法律约束、税收优惠和政策引导等一系列配套措施，大力推行新能源产业发展，积极开发太阳能、风能、核能等新能源和节约技术。经过三十年的发展，日本在新能源发电、新能源电池和节能环保方面处于世界领先地位。 巴西生物能源在其他能源消费结构中占据半壁江山，汽车市场销售80%是可以使用乙醇燃料的新能源汽车，新能源汽车普及率高，有效降低了对石油的依赖，在使用生物乙醇解决污染方面走在世界前列。 三、本课题研究内容: 设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转 换来的。给定重力势能为4焦耳(取g=10m/s2),竞赛时统一用质量为3kg重物下降40cm的势能为驱动力，重物落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许从小车上掉落。要求: (1)小车行走过程中完成所有动作需要的能量一、均由重力势能准转换获得，不可使用任何其他的能量来源。
华侨大学厦门工学院毕业设计(论文)开题报告 系：电气工程系专业班级：电气工程及其自动化4班
二、文献综述（国内外研究情况及其发展）： 国外智能车辆的研究历史较长，始于上世纪50年代。它的发展历程大体可以分成三个阶段： 第一阶段 20世纪50年代是智能车辆研究的初始阶段。1954年美国Barrett Electronics 公司研究开发了世界上第一台自主引导车系统AGVS（Automated Guided Vehicle System）。 第二阶段从80年代中后期开始，世界主要发达国家对智能车辆开展了卓有成效的研究。在欧洲，普罗米修斯项目开始在这个领域的探索。在美洲，美国成立了国家自动高速公路系统联盟（NAHSC）。在亚洲，日本成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶研究会。 第三阶段从90年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模研究阶段。最为突出的是，美国卡内基.梅隆大学（Carnegie Mellon University）机器人研究所一共完成了Navlab系列的10台自主车（Navlab1—Navlab10）的研究，取得了显著的成就。 相比于国外，我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，开始于20世纪80年代。而且大多数研究处在于针对某个单项技术研究的阶段。虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家，并且存在一定得技术差距，但是我们也取得了一系列的成果，主要有： （1）中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院与2003年研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。 （2）南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多所院校联合研制了7B.8军用室外自主车，该车装有彩色摄像机、激光雷达、陀螺惯导定位等传感器。 可以预计，我国飞速发展的经济实力将为智能车辆的研究提供一个更加广阔的前景。因此，对智能小车进行深入细致的研究，不但能加深课堂上学到的理论知识，更能将理论转化为实际运用，为将来打下坚实的基础。
线控两轮平衡车的建模 与控制研究 文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-
线性系统理论 上机实验报告 题目：两轮平衡小车的建模与控制研究 完成时间：2016-11-29 1.研究背景及意义 现代社会人们活动范围已经大大延伸，交通对于每个人都十分重要。交通工具的选择则是重中之重，是全社会关注的焦点。 随着社会经济的发展，人民生活水平的提高，越来越多的小汽车走进了寻常百姓家。汽车快捷方便、省时省力，现代化程度高，种类繁多的个性化设计满足了不同人的需求。但它体积大、重量大、污染大、噪声大、耗油大、技术复杂、使用不便、价格贵、停放困难，效率不高，而且还会造成交通拥堵并带来安全隐患。相比之下，自行车是一种既经济又实用的交通工具。中国是自行车大国，短距离出行人们常选择骑自行车。自行车确实方便，但在使用之前需要先学会骑车，虽然看似简单，平衡能力差的人学起来却很困难，容易摔倒，造成人身伤害。另外，自行车毕竟不适宜长距离的行驶，遥远的路程会使人感到疲劳。 那么，究竟有没有这样一种交通工具，集两者的优点于一身呢？既能像汽车一样方便快捷又如自行车般经济简洁，而且操作易于掌握，易学又易用。两轮自平衡车概念就是在这样的背景下提出来的。 借鉴目前国内外两轮自平衡车的成功经验，本文提出的研究目标是设计一款新型的、结构简单、成本低的两轮自平衡车，使其能够很好地实现自平衡功能，同时设计结果通过MATLAB进行仿真验证。
2.研究内容 自平衡式两轮电动车是一个非线性、强耦合、欠驱动的自不稳定系统，对其控制策略的研究具有重大的理论意义。我们通过分析两轮平衡车的物理结构以及在平衡瞬间的力学关系，得到两轮车的力学平衡方程，并建立其数学模型。运用MATLAB 和SIMULINK 仿真系统的角度θ、角加速度? θ、位移x 和速度的? x 变化过程，对其利用外部控制器来控制其平衡。 3.系统建模 两轮平衡车的瞬时力平衡分析如图1所示。下面将分析归纳此时的力平衡方程[1-3]，并逐步建立其数学模型。 对两轮平衡车的右轮进行力学分析，如图2所示。 依据图2对右轮进行受力分析，并建立其平衡方程： =R R R R M X f H ? - (1) R R R R J C f R ??? =- (2) 同理，对左轮进行受力分析，并建立其平衡方程： =R L L L M X f H ? - (3) L L L L J C f R ??? =- (4) 两轮平衡车摆杆的受力分析如图3所示，由图3可以得到水平和垂直方向的平衡方程以及转矩方程。 水平方向的平衡方程： H H x R L p m +=? ? (5) 其中θsin L x x m p +=，则有：
一、研究课题的目的和意义 1）研究目的： 随着汽车工业的迅速发展，其与电子信息产业的融合速度也显著提高，汽车开始向电子化、多媒体化和智能化方向发展，使其不仅作为一种代步工具、同时能具有交通、娱乐、办公和通讯等多种功能。关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。可见其研究意义很大。本设计就是在这样的背景下提出的，为了适应机电一体化的发展在汽车智能化方向的发展要求，提出简易智能小车的构想，目的在于：通过独立设计并制作一辆具有简单智能化的简易小车，获得项目整体设计的能力，并掌握多通道多样化传感器综合控制的方法。设计的智能电动小车应该能够具有自动寻迹、小灯显示等功能。 此项设计以AT89S52单片机为控制核心，逐步实现小车的循线行走功能。2）研究意义： 1、加深课堂上的学习 由于单片机教学例子有限，因此，单片机智能车能综合学生课堂上的知识来实践，使学习者更好的了解单片机的发展。通过此次的单片机寻轨车制作，使学 生从理论到实践，初步体会单片机项目的设计、制作、调试和成功完成项目的过 程及困难，以此学会用理论联系实际。通过对实践中出现的不足与学习来补充教 学上的盲点。 2、从理论转为实际运用 智能汽车是一种高新技术密集的新型汽车，是在网络环境下利用信息技术、智能控制技术、自动控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机 和机械等多个学科的最新科技成果，使汽车具有自动识别行驶道路、自动驾驶等 先进功能.随着控制技术、计算机技术和信息技术的发展,智能车在工业生产和日 常生活中已经扮演了非常重要的角色.近年来，智能车在野外、道路、现代物流 及柔性制造系统中都有广泛运用，已成为人工智能领域研究和发展的热点。 二、研究内容 1）系统设计： 智能寻迹小车采用后轮驱动，左右后轮各用一个直流减速电机驱动，通过调制后面两个轮子的转速从而达到控制转向的目的在车体前部分别装有左中右三或者两个红外反射式传感
机械原理课程设计报告书 设计题目: 竞赛题目无碳小车的设计 课程名称：《机械原理课程设计》 学生姓名： 学生学号： 所在学院：海洋信息工程学院 学习专业：机械设计制造及其自动化 指导教师：宫文峰 2015年12月11日目录 (2) 第一章概述 (3) 课程设计任务与目的 (3)
第一章概述 机械原理课程设计是机械类各专业学生第一次课程设计，是重要的实践性教学环节，对于培养学生机械系统运动方案设计和创新设计能力、解决工程实际中机构分析和设计能力等有着十分重要意义。 本次课程设计以第五届全国大学生工程能力综合训练竞赛“无碳小车”题目为基础，进行创新设计。设计对题目进行了从新分解，运用课程内所学知识，通过查阅资料结合前人经验，从几个方面进行方案的设计与分析选择，依据机械机构的设计理念，设计出一个完全依靠重力势能提供动力，以平面转向机构实现周期性转向自动避让障碍物的轻质小车方案。 课程设计目的与任务 课程设计目的 1）综合运用机械原理课程的理论和实践知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，促进所学理论知识的巩固、深入和归纳； 2）培养学生的创新设计能力、综合设计能力与团队协作精神； 3）加强学生动手能力的培养和工程实践的训练，提高学生针对实际需求进行创新思维、
综合和工艺制作等实际工作能力； 4）提高学生运算、绘图、表达、运用计算机、搜集和整理资料能力； 5）为将来从事技术工作打基础。 课程设计任务 结合一个简单或中等复杂程度的机械系统，让学生根据使用要求和功能分析，开拓思路，敢于创新，巧妙地构思其工作原理和选择工艺动作过程；由所选择的工作原理和工艺动作过程综合应用所学过的各类常用机构的结构组成、运动原理、工作特点及应用场合等知识，进行机构的选型、创新与组合，构思出各种可能的运动方案，并通过方案评价、优化筛选，选择最佳方案；就所选择的最佳运动方案，应用计算机辅助分析和设计方法（也可以使用图解法）进行机构尺度综合和运动分析；由运动方案和尺度综合结果绘制机构系统运动简图。无碳小车设计的目的与任务 设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换而得到的。该给定重力势能由质量为1Kg的标准砝码（￠50×65 mm，碳钢制作）来获得，砝码的可下降高度为400±2mm。标准砝码始终由小车承载，不从小车上掉落。图1为小车示意图。 小车在行走过程中完成所有动作所需的能量均由此给定重力势能转换而得，小车具有转 向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能。 第二章选题介绍 选题背景、意义 本设计源于6年第五届全国大学生工程能力综合训练竞赛“无碳小车”，该竞赛要求以
第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛 无碳小车设计说明书 参赛者：龚雪飞赵鹏飞刘述亮 指导老师：朱政强戴莉莉 2011-1-16
摘要 第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题主题为“无碳小车”。在设计小车过程中特别注重设计的方法，力求通过对命题的分析得到清晰开阔的设计思路；作品的设计做到有系统性规范性和创新性；设计过程中综合考虑材料、加工、制造成本等给方面因素。我们借鉴了参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计发发明理论方法；采用了MATLAB、PROE等软件辅助设计。 我们把小车的设计分为三个阶段：方案设计、技术设计、制作调试。通过每一阶段的深入分析、层层把关，是我们的设计尽可能向最优设计靠拢。 方案设计阶段根据小车功能要求我们根据机器的构成（原动机构、传动机构、执行机构、控制部分、辅助部分）把小车分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构六个模块，进行模块化设计。分别针对每一个模块进行多方案设计，通过综合对比选择出最优的方案组合。我们的方案为：车架采用三角底板式、原动机构采用了锥形轴、传动机构采用齿轮或没有该机构、转向机构采用曲柄连杆、行走机构采用单轮驱动实现差速、微调机构采用微调螺母螺钉。其中转向机构利用了调心轴承、关节轴承。 技术设计阶段我们先对方案建立数学模型进行理论分析，借助MATLAB 分别进行了能耗规律分析、运动学分析、动力学分析、灵敏度分析。进而得出了小车的具体参数，和运动规律。接着应用PROE软件进行了小车的实体建模和部分运动仿真。在实体建模的基础上对每一个零件进行了详细的设计，综合考虑零件材料性能、加工工艺、成本等。
2012年省电子竞赛设计报告 项目名称：自平衡小车 姓名：连文金、林冰财、陈立镔 指导老师：吴进营、苏伟达、李汪彪、何志杰日期：2012年9月7日
摘要： 本组的智能小车底座采用的是网上淘宝的三轮两个电机驱动的底座,主控芯片为STC89C52,由黑白循迹采集模块对车道信息进行采集,将采集的信息传送到主控芯片,再由主控芯片发送相应的指令到电机驱动模块L298N，从而控制电机的运转模式。 关键词： STC89C52 L298N 色标传感器 E18-F10NK 自动循迹 引言： 近现代，随着电子科技的迅猛发展，人们对技术也提出了更高的要求。汽车的智能化在提高汽车的行驶安全性，操作性等方面都有巨大的优势，在一些特殊的场合下也能满足一些特殊的需要。智能小车系统涉及到自动控制，车辆工程，计算机等多个领域，是未来汽车智能化是一个不可避免的大趋势。本文设计的小车以STC89C52为控制核心，用色标传感器 E18-F10NK作为检测元件实现小车的自动循迹前行。 一、系统设计 本组智能小车的硬件主要有以STC89C52 作为核心的主控器部分、自动循迹部分、电机驱动部分。 1.1方案论证及选择： 根据设计要求，可以有多种方法来实现小车的功能。我们采用模块化思想，从各个单元电路选择入手进行整体方案的论证、比较与选择。 本方案以STC89C52作为主控芯片，通过按键进行模式的选择切换，按键一选择三轮循迹，按键二进行两轮循迹。 1.1.1模式一（三轮循迹）： 模式一（按键一控制）：三轮循迹的时候，通过色标传感器和激光传感器进行实时的数据采集，反馈给主控芯片，主控芯片通过驱动L298来控制两路直流减速电机，从而保证路线的准确性。
2015(第四届)山东省大学生工程训练综合能力竞赛 结构设计报告 总 5 页 第 1 页 产品名称：无碳小车 编号 1.设计概述 设计原则： 整车的重心要低，操作、调整方便灵活；结构尽量简单，传动件数少；质量小，足够的刚度，运动平稳。 2.设计方案 通过对小车的功能分析，小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走、自动避开障碍物。为了方便设计这里根据小车所要完成的功能将小车划分为六个部分进行模块化设计，分别是：车架 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 和微调机构，下面将详细介绍这六个模块。 2.1车架 车底板因不需承受很大的力，精度要求不是很高，考虑到加工方便、质量轻、成本低等因素，底板选用厚度为6mm 的铝板,尺寸定为143.5mm × 115mm 。小车运行起来按避障要求左右转向,引绳带动重块在重力的作用下将大幅摆动,可以通过降低小车底板距离地面的高度来降低整车的重心,为此将小车底板折弯,满足整车重心降低的需要。 2.2原动机构 原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。小车对此机构主要有以下要求： 驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或重块晃动厉害影响行走。到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击。同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上，如果重块竖直方向的速度较大，重块本身还有较多动能未释放，能量利用率不高。由于不同的场地对轮子的摩擦可能不一样，在不同的场地小车是需要的动力也不一样。在调试时也不知道多大的驱动力恰到好处。因此还需要能根据不同的需要调整其驱动力。 在此结构中应让重块保持一定高度的支架以及重块带动车体的连接部件，考虑到立柱在满足一定强度的基础上需尽可能的轻，我们选用φ6铝棒材料。为了避免小车在行驶过程中，重块晃动过大，极易造成翻车现象， 通过多次的改进最终采用的是四根立柱，既轻便又稳固，达到预期效果。 至于滑轮，由于车体及车轮均采用铝板而不是材质较轻的雅格利板、碳板，车体较重，小车不易起动。定滑轮即稳定又容易改变力的方向，故选用了定滑轮。 2.3传动机构 传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。它的优劣直接决定了小车的性能，能量是否充分利用，转向是否精确皆取决于此。我们决定采用齿轮传动，它具有结构紧凑、可靠性好、效率高、传动稳定等特点。由于小车只绕8字走三圈，需提高小车的速度，减少能量的损失。 因此传动机构选择了传动比5:1的一级齿轮传动。在齿轮材质的选择上，综合考虑到齿轮材质轻、价格便宜、规格齐全并能满足小车所需齿轮强度要求，故采用铝制齿轮。 学校 名 称： 参赛项 目： 8子 型赛 道常 规 赛 装 订 线
题图：自平衡小车系统 摘要：本自平衡小车由单片机芯片STC80C52为主控制器。通过电机驱动和寻迹电路完成三轮（两轮为驱动，一轮为万向轮）寻迹来按照竞赛要求来完成基本部分；在运用MMA7455数字加速度传感器和角速度传感器（ENC03陀螺仪）以及运用电磁线性偏差来完成两驱动轮的直立寻迹。 关键词 STC80C52、小车寻迹、自平衡小车。 Abstract:The self balancing car by single-chip microcomputer chip STC80C52 primarily controller. Through the motor drive and tracing circuit complete three (two wheel for drive, round for universal wheel) tracing to according to the competition requirements to complete basic parts; Using MMA7455 digital acceleration sensor and angular velocity sensor (ENC03 gyroscope) and the use of electromagnetic linear deviation to complete two driving wheel of upright tracing. Keywords STC80C52, car tracing, self balancing car
1系统方案 (3) 1.1模块方案比较与论证 (3) 1.2车体设计 (3) 1.3控制器模块 (3) 1.4寻迹模块 (4) 1.5直流电机驱动模块 (4) 1.6小车直立 (5) 1.7小车速度控制 (5) 1.8小车方向控制 (6) 1.9最终方案 (6) 2 理论分析和计算 (6) 2.1直流电机的转速如何控制？(建立数学模型) (6) 2.2电磁线性偏差检测数学模型建立 (8) 3电路设计1（两轮为驱动轮，一轮为万向轮） (9) 3.1电路总设计框图 (9) 3.2介绍单片机最小系统原理图及其功能 (9) 3.3介绍驱动模块原理图及其功能 (10) 3.4介绍寻迹模块原理图及其功能 (11) 3.5怎样来控制车模直立？（建立数学模型） (12) 3.6车模的方向控制 (14) 3.7车模倾角测量 (14) 4 电路设计2（两驱动轮直立行走） (17) 4.1整个电路的框架接结构 (17) 4.2介绍数字三轴加速度传感器模块与陀螺仪原理图及其功能 (18) 4.3介绍电磁线偏差检测系统电路及其原理 (20) 4.4 整个过程的注意事项 (21) 5 测试方案与结果分析 (22) 5.1寻迹测试方案（7个红外对管用TCR5000） (22) 5.2电机驱动测试方案（主芯片L298N） (22) 6.结论 (23) *参考文献 (23) *附录 (24) 附录1主要元器件芯片 (24) 附录2仪器设备清单 (24) 附录3主要程序清单 (24)
毕业论文（设计） 开题报告 论文题目：智能小车的无线控制器设计 系部名称：信息工程系专业班级：测控XX 学生姓名：XX 学号：XX 指导教师：XX教师职称：讲师 20 年月日
毕业论文（设计）开题报告 一、结合毕业论文（设计）任务书的要求，根据所查阅的文献资料，撰写3000字左右的文献综述： 一、本课题的选题背景 随着我国科学技术的进步，智能化和自动化技术越来越普及，各种高科技也广泛应用于智能小车和机器人玩具制造领域，使智能机器人越来越多样化。智能小车是一个多种高新技术的集成体，它融合了机械、电子、传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术。而智能电动车正是智能机器人的一种，具有不可估量的实际意义。智能车辆是一个运用计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术来实现环境感知、规划决策和自动行驶为一体的高新技术综合体。它在军事、民用和科学研究等方面已获得了应用，对解决道路交通安全提供了一种新的途径。随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究，许多国家已经把电子设计比赛作为创新教育的战略性手段。电子设计涉及到多个学科，机械电子、传感器技术、自动控制技术、人工智能控制、计算机与通信技术等等，是众多领域的高科技。电子设计技术，它是一个国家高科技实例的一个重要标准，可见其研究意义很大。 二、国内外的发展 1、国内背景 智能小车的发展主要是在自动化控制领域，一些大中专院校为了培养学生动手及编程能力，同时提高学生的兴趣，为智能小车控制领域提供了环境。同时一些比较大型的比赛，如全国电子设计大赛开始采用这类的题目，虽然都是用小车，但是控制方式都是不一样。在智能小车现今发展最好的当时飞思卡尔举行的比赛，采用先进的摄像头采集黑线线路，此时要求芯片的运算速度是非常高的。其他的一些黑线检测题目，都加了其他的一些要求，如两辆小车交叉抢跑等。 智能车辆是集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，是智能交通系统的一个重要组成部分。它在军事、民用、太空开发等领域有着广泛的应用前景。本次设计对智能小车的控制系统进行了研究，设计实现一个基于路径规划处理的智能小车控制系统。
云南农业大学 本科生毕业设计开题报告 设计题目:基于Arduino的智能寻迹小车控制系统设计毕业设计起止时间： 年月日～月日(共 17 周) 专业：电气工程及其自动化 姓名： 学号： 指导教师： 报告时间： 云南农业大学教务处制 200 年月日
1. 本课题所涉及的问题在国内(外)的研究现状综述 国外智能车辆的研究历史较长，始于上世纪50年代。它的发展历程大体可以分成三个阶段： 第一阶：20世纪50年代是智能车辆研究的初始阶段。1954年美国Barrett Electronic 公司研究开发了世界上第一台自主引导车系统，该系统只是一个运行在固定路线上的拖车式运货平台，但它却具有了智能车辆最基本的特征即无人驾驶。 第二阶段：从80年代中后期开始，世界主要发达国家对智能车辆开展了卓有成效的研究。在欧洲，普罗米修斯项目开始在这个领域的探索。在美洲，美国成立了国家自动高速公路系统联盟（NAHSC）。在亚洲，日本成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶研究会。 第三阶段：从90年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模研究阶段。最为突出的是，美国卡内基.梅隆大学（Carnegie Mellon University）机器人研究所一共完成了Navlab系列的10台自主车（Navlab1—Navlab10）的研究，取得了显著的成就。 相比于国外，我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，开始于20世纪80年代。而且大多数研究处在于针对某个单项技术研究的阶段。虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家，并且存在一定得技术差距，但是我们也取得了一系列的成果，主要有： （1）中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院与2003年研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。 （2）南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多所院校联合研制了7B.8军用室外自主车，该车装有彩色摄像机、激光雷达、陀螺惯导定位等传感器。 可以预计，我国飞速发展的经济实力将为智能车辆的研究提供一个更加广阔的前景。因此，对智能小车进行深入细致的研究，不但能加深课堂上学到的理论知识，更能将理论转化为实际运用，为将来打下坚实的基础。 2．本人对课题提出的任务要求及实现预期目标的可行性分析
无碳小车产品设计说明书 产品名称：飞轮驱动式无碳小车 设计团队：小组成员：李进、肖衡、谢中成指导老师：韩传军、任海涛设计思想：看到此次竞赛主题，我团队认为；能否很好地解决小车的驱动问题和自动转向问题是此次设计成功与否的关键。围绕这个中心，我们展开了一系列的理论分析与验证，经过反复比较，最终确定了我们的设计思路：飞轮驱动与仿自行车式转向。 驱动方面，最开始，我们想到了发条，认为将重物下落的重力势能储存在发条中，在逐渐释放，能够很好地利用能量。与此同时，经过研究玩具小车的驱动机构，我们认为，可以想办法将发条与弹簧结合起来使用，通过二者驱动的时间差来达到将重物能量利用最大化的目的。但是，发条在储能和释放能量时都会消耗能量，因而能量利用率不高；并且，如何让弹簧与发条分时驱动也是一个我们始终无法解决的问题；而且，发条在释放能量后还会有阻碍驱动轮转动的问题，要解决这个问题会将小车结构弄得很复杂，因而，我们最终放弃了这种想法。而后，通过联系农村稻麦收割机的启动实例，我们想到了利用飞轮驱动，飞轮驱动结构简单，并且能够很好地解决发条能量释放后阻止驱动轮转动的问题；于此同时，我们也想到了将飞轮与弹簧联合驱动的方案，这种方案能够将能量尽可能地利用，并且只要通过传动比让弹簧驱动给后轮的速度大于飞轮能量释放后后轮的速度，就能让小车平稳前进。但是这个方案仍然存在结构复杂并造成能量消耗打的问题，经过综合考虑权衡，我们最终确定飞轮单独驱动小车的方案。 转向方面，我们主要是仿照自行车转向的方案，利用等宽凸轮控制小车自动转向。 工作原理： 主要构件如下图所示，包括储能飞轮、驱动后轮、传动齿轮、“曲柄”圆轮、连杆、转向“摇杆”和转向前轮。
西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）开题报告 题目：自动避障寻迹小车软件设计 系（部）：电子信息系 专业：通信工程 班级：B090310 学生：何欣 学号：B09031036 指导教师：王青岳 2012年12月18日
1.毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况） 1.1题目背景： 智能小车的巡线和避障功能在生产生活中都有着广泛的用途。例如：可以用在大的生产车间的物流系统中，按照预先设定的路线来传输货物自动躲避障碍功能从而使工作更加安全和效率更高。 1.2研究意义： 自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想，智能小车可以作为机器人的典型代表。 电子技术的飞速发展，对自动化要求越来越高，智能汽车检测并完成特殊的任务将成为以后的一个新的发展方向。在危险或不利于人工作业的环境下，利用智能小车替代人工作业完成特殊任务，避免人员伤亡，更可减少经济损失。 1.3国内外相关研究情况： 在世界科学界和工业设计界中，众多的研究机构都在研发智能车辆，其中具有代表性的智能车辆包括： 美国NavLab系列智能车辆系统。该系统是由美国卡内基·梅隆大学机器人研究所研制的。NavLab．V系统的车体采用Pontiac运动跑车。其传感器系统包括视觉传感器系统、差分GPS系统、光纤阻尼陀螺和光码盘。 德国VaMoRs—P智能车辆系统。该系统由德国联邦国防大学和奔驰汽车公司研制的。车体采用奔驰500型轿车。传感器系统包括由4个小型彩色CCD摄像机构成的两组主动式双目视觉系统、3个惯性线性加速度计和角度变化传感器、测速表及发动机状态测量仪等。执行机构包括方向力矩电机、电子油门和液压制动器等。 国内智能车辆研究由于起步晚，以及经济条件的制约，在智能车辆研究领域与发达国家有一定的差距，目前开展这方面研究工作的单位主要包括一些大学和科研机构，具有代表性的系统有： 7B．8智能车辆系统。该系统是由南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多所院校联合研制，属于军用室外智能车辆，于1995年底通过验收。 飞思卡尔杯全国大学生智能汽车竞赛就是在这样的背景下应运而生的。比赛由国家教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办，飞思卡尔半导体公司协办。由组委会提供统一的车模和单片机，要求各参赛队在不改变车模的底盘结构的前提下，通过选择适当的检测方案和控制算法，使车模能够在专门设计的跑道上自主地识别路线行驶，单圈行驶时间最短的赛车获胜。这样，通过提供一个相同的比
双轮自平衡车设计报告 学院………….......... 班级…………………… 姓名………………..手机号…………………..姓名………………..手机号…………………..姓名………………..手机号…………………..
目录 一、双轮自平衡车原理 二、总体方案 三、电路和程序设计 四、算法分析及参数确定过程
一.双轮自平衡车原理 1.控制小车平衡的直观经验来自于人们日常生活经验。一般的人通过简单练习就可以让一个直木棒在手 指尖上保持直立。这需要两个条件：一个是托着木棒的手掌可以移动；另一个是眼睛可以观察到木棒的倾斜角度和倾斜趋势（角速度）。通过手掌移动抵消木棒的倾斜角度和趋势，从而保持木棒的直立。这两个条 件缺一不可，让木棒保持平衡的过程实际上就是控制中的负反馈控制。 图1 木棒控制原理图 2.小车的平衡和上面保持木棒平衡相比，要简单一些。因为小车是在一维上面保持平衡的，理想状态下，小车只需沿着轮胎方向前后移动保持平衡即可。 图2 平衡小车的三种状态 3.根据图2所示的平衡小车的三种状态，我们把小车偏离平衡位置的角度作为偏差；我们的目标是通过 负反馈控制，让这个偏差接近于零。用比较通俗的话描述就是：小车往前倾时车轮要往前运动，小车往后倾时车轮要往后运动，让小车保持平衡。 4.下面我们分析一下单摆模型，如图4所示。在重力作用下，单摆受到和角度成正比，运动方向相反的回复力。而且在空气中运动的单摆，由于受到空气的阻尼力，单摆最终会停止在垂直平衡位置。空气的阻尼力与单摆运动速度成正比，方向相反。 图4 单摆及其运动曲线
类比到我们的平衡小车，为了让小车能静止在平衡位置附近，我们不仅需要在电机上施加和倾角成正比的回复力，还需要增加和角速度成正比的阻尼力，阻尼力与运动方向相反。 5 平衡小车直立控制原理图 5.根据上面的分析，我们还可以总结得到一些调试的技巧：比例控制是引入了回复力；微分控制是引入了阻尼力，微分系数与转动惯量有关。 在小车质量一定的情况下，重心位置增高，因为需要的回复力减小，所以比例控制系数下降；转动惯量变大，所以微分控制系数增大。在小车重心位置一定的情况下，质量增大，因为需要的回复力增大，比例控制系数增大；转动惯量变大，所以微分控制系数增大。 二.总体方案 ■小车总框图