双轮载人平衡车设计完整教程
双轮载人平衡车采用无污染的电能作为动力，具备体积小、运动灵活、停车方便、狭小地方作业能力强等特点，针对当今社会交通拥挤、汽车尾气污染等问题提出了新型的出行方式解决方案。便捷、智能、迷你实用、纯绿色的平衡车既可以有效的解决中短距离的交通问题，又能健身娱乐，得到了广大群众的拥护和喜好。同时，自平衡车作为高度灵敏的非线性不稳定体，具有强耦合、欠驱动等特征，是研究自控技术及理论的绝佳实验平台。
设计中充分分析了自平衡技术的工作及控制原理，运用了经典的牛顿力学建立载人平衡车的动力学与运动学模型，参考倒立摆的运动设计了自平衡控制算法。对系统的可控角度、最大爬坡角度、可控性、可观测性进行了分析，得到了载人平衡车设计的指导性结论。硬件系统设计包括车体、车轮、19花键免法兰轮胎、直流减速电机、铅酸电池以及STM32主控制电路、MPU6050姿态检测电路、AS5040增量式编码器电路和两个超大功率H全桥电机驱动。通过对编码器与姿态传感器的数据融合，获得了实时的、低噪声的车身倾角信息与电机转动速度信息，采用双闭环控制算法调整PWM占空比控制电机转动实现了车身的原地平衡直立、前行后退、转向等功能。
实测结果表明，本文所设计的载人平衡车能够很好的实现自平衡并且稳定的运行，其快恢复性，准确性和稳定性能良好。
关键词：非线性；超大功率H全桥；双闭环控制算法；STM32；MPU6050；
研究目的及意义
生活是向着智能化，便捷化的方向发展。而在交通和环境问题日益突出的当今，作为适合多种场合使用的代步工具，平衡车顺应了时代的潮流，具有使用简单、节能环保、移动灵敏便捷等特点，尤其在空间狭窄、急转角度大的工作场合作业优势更凸显。如今全球变暖将给地球带来严重灾害，而气温变暖的罪魁祸首，便是工业废气、汽车尾气等大量的排放。当今世界的另一个危机就是能源危机，节能环保交通工具取代传统是必然趋势，为平衡车的发展提供了广阔的发展空间。同时，作为新式健身器材锻炼平衡性发展警用型设备，在原有基础上进行合理的优化和设计，更适用于道路交通防治工作的代步，从而获得了广泛关注。作为一个非线性的对称系统，具有强耦合、多变量、参数不确定等特性。其原理和传统的倒立摆系统类似，本身是一个自然重心不稳定的物体，需要电机的控制来维持姿态的平衡，通过姿态传感器、控制算法、微控制器数据拟合驱动电机转动及车体机械集装配置整体协调制衡，是集环境感知、姿态检测、动态规划与决策、行为控制与执行等多种功能于一体的非线性系统，其控制难度大，控制算法复杂，给自动控制理论体系提出了很大的挑战，具有较强的理论研究和实践价值。
1.2 国内外研究现状
近年来，国内外诸多科研工作单位、企业及自平衡机器人爱好者都对自平衡载人机器人领域的发展做出了许多突破性的贡献，积累了宝贵的理论与实践经验，极大地促进了自平衡技术的前进速度，同时也将一批具有代表性的自平衡机器人和载人代步产品展现在世人眼前。
2002年，美国赛格威(Segway)发布了全球第一款双轮载人平衡车，时速可达20Km/h。如图1.2.2所示，赛格威自平衡车颠覆了人们日常以低重心、大而宽、多点平衡式的地盘设计的传统观念。让世人得以见识本身即自然不稳定的双轮车体通过内置的姿态传感器和编码器数据融合驱动大功率无刷伺服电机来保持车体直立以及灵活运动的类似倒立摆的机械结构也是可以平衡直立与稳定行驶的。。平衡车只需要三个陀螺仪就可以完全监测车身的前后左右倾与侧倾斜程度，赛格威更是安装了五个航空级别的固态陀螺仪以作为行车安全防范作用的备用装置。除了修正前后倾与前进后退外，赛格威车身的转向可以通过两种方式来控制。其中一种可以扭转其把手部分，使得车辆左右轮产生速差来控制其转向；除此之外驾驶人在行进过程中通过倾斜身体，利用驾驶人的体重所产生与赛格威车体纵向垂直的分量，作为拐弯转角时的内向心力而达到扭转方向的目的，这是只有赛格威办得到的动作。
图1.2.2 Segway
深圳固高科技有限公司研发的教学自平衡车，如图1.2.3所示，使用减速比为10:1的85W大功率直流有刷伺服电机作为动力执行单元，可达最高1.6m/s的运行速度，最大爬坡角度20°。采用24V镍氢电池供电，可连续运行1.5小时。
图1.2.3固高教学自平衡车
1.3 课题设计要求
1、设计车体硬件，主要包括车体重心设计、电子元器件位置摆放，电气布线等，力求车体简洁美观；
2、电路设计，主要包括控制模块、稳压电源模块、双轮测速模块、电机驱动模块，保证电子元器件之间不会出现电磁信号干扰；
3、设计电机速度控制算法，实现稳定、可靠地车体平衡直立、前进后退以及转向三个功能；
要求：
(1)可实现载人原地平衡直立，前进后退；
(2)平坦道路上可安全、平稳行驶；
(3)设计双闭环控制算法；
(4)可爬坡8°以上；
(5)低速行驶状态下可安全通过路面减速带；
(6)大功率高亮LED前后车灯，方便晚上行驶；
(7)实时车速显示；