自平衡小车详解_陀螺仪和加速度详细介绍

两轮自平衡小车的设计

常熟理工学院学报（自然科学）Journal of Changshu Institute Technology （Natural Sciences ）第26卷第10Vol.26No.102012年10月Oct.,2012 收稿日期：2012-09-07 基金项目：江苏省大学生实践创新训练计划项目“两轮自平衡机器小车的设计”（jx110152011） 作者简介：李荣伟（1989—），男，江苏东海人，常熟理工学院电气与自动化工程学院测控技术与仪器专业2009级学生. 通讯作者：李鑫（1983—），男，安徽亳州人，实验师，硕士，研究方向：智能控制技术与现代检测技术，E-mail:lixin_yy@https://www.wendangku.net/doc/c015877266.html,．两轮自平衡小车的设计 李荣伟，李鑫，孙传开，张冬林，江振峰 （常熟理工学院电气与自动化工程学院，江苏常熟215500） 摘要：设计了以陀螺仪ENC-03以及MEMS 加速度计MMA7260为传感器的姿态感知系统， 选用16位单片机MC9S12XS128为控制核心处理器，完成对传感器信号的采集处理、车身控制以及人机交互的设计，实现小车自主控制平衡状态、运行速度以及转向角度大小等功能.实验结果表明该系统的性能满足设计要求. 关键词：两轮自平衡；姿态检测；卡尔曼滤波；数据融合；PID 控制器 中图分类号：TP242.6文献标识码：A 文章编号：1008-2794（2012）10-0070-06 近年来，随着电子技术的发展与进步，移动机器人的研究已成为目前科学研究最活跃的领域之一，移动机器人经常会遇到在较为狭窄复杂的环境中如何灵活快捷地执行任务的问题.两轮自平衡机器人的概念就是在此背景下提出来的，这种机器人区别于其他移动机器人最显著的特点是：采用了两轮共轴、各自独立驱动的工作方式（又称差分式驱动），车身的重心位于车轮轴的上方，通过轮子的前后移动保持车身的平衡、行驶[1].因为具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，所以在军用和民用领域有着广泛的应用前景，更重要的是系统具有多变量、非线性、强耦合、不稳定性的特性，使其成为很好地验证控制理论及方法的平台，具有很高的研究价值. 1系统整体设计 本文设计的自平衡车采用姿态传感器（加速度计和陀螺 仪）监测车身所处的俯仰状态和状态变化率，通过高速微控制 器（MC9S12XS128）完成数据融合处理，得到平滑而稳定车体 姿态信息，然后驱动电动机产生前进或后退的加速度来控制 车体保持平衡，同时系统还要根据速度的反馈量来完成对车 体速度和方向的控制，微控制器还需构建相关输入输出模块 和人机交互设备.系统设计总体结构框图如图1所示. 已知自平衡车高度为l ，质量为m ，将其抽象为一级倒立 摆，并将倒立摆置于可水平移动的小车上.假设其受外力干图1系统设计总体结构框图

两轮自平衡小车控制系统的设计

两轮自平衡小车控制系统的设计 摘要：介绍了两轮自平衡小车控制系统的设计与实现，系统以飞思卡尔公司的16位微控制器MC9S12XS128MAL作为核心控制单元，利用加速度传感器MMA7361测量重力加速度的分量，即小车的实时倾角，以及利用陀螺仪ENC-03MB测量小车的实时角速度，并利用光电编码器采集小车的前进速度，实现了小车的平衡和速度控制。在小车可以保持两轮自平衡前提下，采用摄像头CCD-TSL1401作为路径识别传感器，实时采集赛道信息，并通过左右轮差速控制转弯，使小车始终沿着赛道中线运行。实验表明，该控制系统能较好地控制小车平衡快速地跟随跑道运行，具有一定的实用性。 关键词：控制；自平衡；实时性 近年来，随着经济的不断发展和城市人口的日益增长，城市交通阻塞以及耗能、污染问题成为了一个困扰人们的心病。新型交通工具的诞生显得尤为重要，两轮自平衡小车应运而生，其以行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。但是，昂贵的成本还是令人望而止步，成为它暂时无法广泛推广的一个重要原因。因此，开展对两轮自平衡车的深入研究，不仅对改善平衡车的性价比有着重要意义，同时也对提高我国在该领域的科研水平、扩展机器人的应用背景等具有重要的理论及现实意义。全国大学生飞思卡尔智能车竞赛与时俱进，第七届电磁组小车首次采用了两轮小车，模拟两轮自平衡电动智能车的运行机理。在此基础上，第八届光电组小车再次采用两轮小车作为控制系统的载体。小车设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械及能源等多个学科的知识。 1 小车控制系统总体方案 小车以16位单片机MC9S12XS128MAL作为中央控制单元，用陀螺仪和加速度传感器分别检测小车的加速度和倾斜角度[1]，以线性CCD采集小车行走时的赛道信息，最终通过三者的数据融合，作为直流电机的输入量，从而驱动直流电机的差速运转，实现小车的自动循轨功能。同时，为了更方便、及时地观察小车行走时数据的变化，并且对数据作出正确的处理，本系统调试时需要无线模块和上位机的配合。小车控制系统总体架构。 2 小车控制系统自平衡原理 两轮小车能够实现自平衡功能，并且在受到一定外力的干扰下，仍能保持直立状态，是小车可以沿着赛道自动循线行走的先决条件。为了更好地控制小车的行走方式，得到最优的行走路径，需要对小车分模块分析与控制。 本控制系统维持小车直立和运行的动力都来自小车的两个轮子，轮子转动由两个直流电机驱动。小车作为一个控制对象，它的控制输入量是两个电机的转动速度。小车运动控制可以分解成以下3个基本控制任务。 （1）小车平衡控制：通过控制两个电机正反方向运动保持小车直立平衡状态； （2）小车速度控制：通过调节小车的倾斜角度来实现小车速度控制，本质上是通过控制电机的转速来实现小车速度的控制。 （3）小车方向控制：通过控制两个电机之间的转动差速实现小车转向控制。 2.1 小车平衡控制 要想实现小车的平衡控制，需要采取负反馈控制方式[2]。当小车偏离平衡点时，通过控制电机驱动电机实现加、减速，从而抵消小车倾斜的趋势，便可以保持车体平衡。即当小车有向前倾的趋势时，可以使电机正向加速，给小车一个向前的加速度，在回复力和阻尼力的作用下，小车不至于向前倾倒；当小车有向后倾的趋势时，可以使小车反向加速，给小车一个向后的加速度，从而不会让小车向后倾倒，。

基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计

基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计 摘要 两轮自平衡车是一种高度不稳定的两轮机器人，就像传统的倒立摆一样，本质不稳定是两轮小车的特性，必须施加有效的控制手段才能使其稳定。本文提出了一种两轮自平衡小车的设计方案，采用重力加速度陀螺仪传感器MPU-6050检测小车姿态，使用互补滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合。系统选用STC 公司的8位单片机STC12C5A60S2为主控制器，根据从传感器中获取的数据，经过PID算法处理后，输出控制信号至电机驱动芯片TB6612FNG，以控制小车的两个电机，来使小车保持平衡状态。 整个系统制作完成后，小车可以在无人干预的条件下实现自主平衡，并且在引入适量干扰的情况下小车能够自主调整并迅速恢复至稳定状态。通过蓝牙，还可以控制小车前进，后退，左右转。 关键词：两轮自平衡小车加速度计陀螺仪数据融合滤波 PID算法 Design of Control System of Two-Wheel Self-Balance Vehicle based on Microcontroller Abstract Two-wheel self-balance vehicle is a kind of highly unstable two-wheel robot. The characteristic of two-wheel vehicle is the nature of the instability as traditional inverted pendulum, and effective control must be exerted if we need to make it stable. This paper presents a design scheme of two-wheel self-balance vehicle. We need using gravity accelerometer

两轮自平衡小车毕业设计毕业论文

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) 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 (35) 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)

加速度计和陀螺仪指引——数学模型和基本算法

加速度计和陀螺仪指南——数学模型和基本算法 本帖转自https://www.wendangku.net/doc/c015877266.html,/thread-1695-1-1.html 本帖翻译自IMU（加速度计和陀螺仪设备）在嵌入式应用中使用的指南。 这篇文章主要介绍加速度计和陀螺仪的数学模型和基本算法，以及如何融合这两者，侧重算法、思想的讨论. 介绍 本指南旨在向兴趣者介绍惯性MEMS（微机电系统）传感器，特别是加速度计和陀螺仪以及其他整合IMU（惯性测量单元）设备。 IMU单元例子：上图中MCU顶端的ACC Gyro 6DOF，名为USBThumb，支持USB/串口通信 在这篇文章中我将概括这么几个基本并且重要的话题： - 加速度计（accelerometer）检测什么 - 陀螺仪（gyroscope，也称作 gyro）检测什么 - 如何将传感器ADC读取的数据转换为物理单位（加速度传感器的单位是g，陀螺仪的单位是度/秒）

- 如何结合加速度传感器和陀螺仪的数据以得到设备和地平面之间的倾角的准 确信息 在整篇文章中我尽量将数学运算降低到最少。如果你知道什么是正弦、余弦、正切函数，那无论你的项目使用哪种平台你应该都会明白和运用这篇文章中的思想，这些平台如Arduino、Propeller、Basic Stamp、Ateml芯片、PIC芯片等等。 总有些人认为使用IMU单元需要复杂的数学运算（复杂的FIR或IIR滤波，如卡尔曼滤波，Parks-McClellan滤波等）。你如果研究这些会得到很棒且很复杂的结果。我解释事情的方式，只需要基本的数学。我非常坚信简单的原则。我认为一个简单的系统更容易操作和监控，另外许多嵌入式设备并不具备能力和资源去实现需要进行矩阵运算的复杂算法。 我会用我设计的一个新IMU模块——Acc_Gyro Accelerometer + Gyro IMU作为例子。在下面的例子中我们会使用这个设备的参数。用这个模块作为介绍非常合适，因为它由3个设备组成： - LIS331AL (datasheet) – 3轴 2G 模拟加速度计 - LPR550AL (datasheet) –双轴（俯仰、翻滚）500°/s 加速度传感器 - LY550ALH (datasheet) –单轴（偏航）陀螺仪最后这个设备在这篇介绍中不使用，不过他在DCM Matrix implementation中有重要作用 它们一起组成了一个6自由度的惯性测量单元。这是个花哨的名字！然而，在花哨的名字后面是个非常有用的设备组合，接下来我们会详细介绍之。 第一部分加速度计 要了解这个模块我们先从加速度计开始。当我们在想象一个加速度计的时候我们可以把它想作一个圆球在一个方盒子中。你可能会把它想作一个饼干或者甜圈，但我就把它当做一个球好了：

双轮自平衡小车机器人系统设计与制作

燕山大学 课程设计说明书题目：双轮自平衡小车机器人系统设计与制作 学院（系）：机械工程学院 年级专业：12级机械电子工程 组号：3 学生： 指导教师：史艳国建涛艳文史小华庆玲 唐艳华富娟晓飞正操胡浩波 日期： 2015.11

燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：机械工程学院基层教学单位：机械电子工程系

摘要 两轮自平衡小车是一种非线性、多变量、强耦合、参数不确定的复杂系统，他体积小、结构简单、运动灵活，适合在狭小空间工作，是检验各种控制方法的一个理想装置，受到广大研究人员的重视，成为具有挑战性的课题之一。 两轮自平衡小车系统是一种两轮左右并行布置的系统。像传统的倒立一样，其工作原理是依靠倾角传感器所检测的位姿和状态变化率结合控制算法来维持自身平衡。本设计通过对倒立摆进行动力学建模，类比得到小车平衡的条件。从加速度计和陀螺仪传感器得出的角度。运用卡尔曼滤波优化，补偿陀螺仪的漂移误差和加速度计的动态误差，得到更优的倾角近似值。通过光电编码器分别得到车子的线速度和转向角速度，对速度进行PI控制。根据PID控制调节参数，实现两轮直立行走。通过调节左右两轮的差速实现小车的转向。 制作完成后，小车实现了在无线蓝牙通讯下前进、后退、和左右转向的基本动作。此外小车能在正常条件下达到自主平衡状态。并且在适量干扰下，小车能够自主调整并迅速恢复稳定状态。 关键词：自平衡陀螺仪控制调试

前言 移动机器人是机器人学的一个重要分支，对于移动机器人的研究，包括轮式、腿式、履带式以及水下式机器人等，可以追溯到20世纪60年代。移动机器人得到快速发展有两方面原因：一是其应用围越来越广泛；二是相关领域如计算、传感、控制及执行等技术的快速发展。移动机器人尚有不少技术问题有待解决，因此近几年对移动机器人的研究相当活跃。 近年来，随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，所面临的环境和任务也越来越复杂。机器人经常会遇到一些比较狭窄，而且有很多大转角的工作场合，如何在这样比较复杂的环境中灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。双轮自平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的。两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器人，是一种多变量、非线性、强耦合的系统，是检验各种控制方法的典型装置。同时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。因为它既有理论研究意义又有实用价值，所以两轮自平衡小车的研究在最近十年引起了大量机器人技术实验室的广泛关注。 本论文主要叙述了基于stm32控制的两轮自平衡小车的设计与实现的整个过程。主要容为两轮自平衡小车的平衡原理，直立控制，速度控制，转向控制及系统定位算法的设计。通过此设计使小车具备一定的自平衡能力、负载承载能力、速度调节能力和无线通讯功能。小车能够自动检测自身机械系统的倾角并完成姿态的调整，并在加载一定重量的重物时能够快速做出调整并保证自身系统的自我平衡。能够以不同运动速度实现双轮车系统的前进、后退、左转与右转等动作，同时也能够实现双轮自平衡车系统的无线远程控制操作

陀螺仪认识入门

谈谈对陀螺仪和加速度传感器的感性认识 前几天看到官网的新规则觉得很有意思看看自己帐号注册2年多了比赛也做了2届从论坛上下了大堆资料也没给论坛贡献什么有价值的东西实在惭愧啊正好自己以前捣鼓过一段时间四轴飞行器把当时收集的一些资料发上来大家共享下吧大部分取自网络还有一部分自己的思考重要的地方用红字标明了来自网络的都用蓝字标明本人才疏学浅论坛里藏龙卧虎有不对的还请大家指正新手看看全当一个感性认识。由于时间太长就不标原文地址了大家搜搜都能搜到另外四轴飞控论坛上已经看到有人跑过去要7260 和EN—03的资料了嘿嘿数据手册其实很好找的相关资料也很多的大家多多利用搜索引擎 啊 加速度传感器测的是什么？ 我觉得很多时候大家都被它的名字给误导了我觉得准确的来说它测的不是加速度至少对于mma7260这类的片子它检测的是它受到的惯性力(包括重力！重力也是惯性力)。那又有人要问了 F=ma 惯性力不就是加速度么？差矣加速度传感器实际上是用MEMS 技术检测惯性力造成的微小形变注意检测的是微小形变所以你把加速度传感器水平静止放在桌子上它的Z轴输出的是1g的加速度因为它Z轴方向被重力向下拉出了一个形变可是你绝对不会认为它在以1g的加速度往下落吧你如果让它做自由落体它的Z轴输出应该是0 给个形象的说法可以把它看成是一块弹弹胶它检测的就是自己在三个方向被外力作用造成的形变。从刚才的分析可以发现重力这个东西实际是个很恶心的东西它能隔空打牛，在不产生加速度的情况下对加速度传感器造成形变，在产生加速度的时候不造成形变，而其他力都做不到。可惜的是，加速度传感器不会区分重力加速度与外力加 速度。 所以，当系统在三维空间做变速运动时，它的输出就不正确了或者说它的输出不能表明物体的姿态和运动状态举个例子当一个物体在空间做自由落体时在X轴受到一个外力作用产生g的加速度这时候x y z 轴的输出分别是 g,0,0 如果这个物体被x轴朝下静止放在水平面上它x y z 轴的输出也分别是 g,0,0 所以说只靠加速度传感器 来估计自己的姿态是很危险而不可取的 加速度传感器有什么用？ 加速度计,可以测量加速度,包括重力加速度,于是在静止或匀速运动（匀速直线运动）的时候,加速度计仅仅测量的是重力加速度,而重力加速度与刚才所说的R坐标系（绝对坐标系）是固连的,通过这种关系,可以得到加速度计所在平面与地面的角度关系也 就是横滚角和俯仰角计算公示如下俯仰角

自平衡小车设计报告

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。

加速度计和陀螺仪指南

介绍 本指南旨在向兴趣者介绍惯性MEMS（微机电系统）传感器，特别是加速度计和陀螺仪以及其他整合IMU（惯性测量单元）设备。 IMU单元例子：上图中MCU顶端的ACC Gyro 6DOF，名为USBThumb，支持USB/串口 通信 在这篇文章中我将概括这么几个基本并且重要的话题： - 加速度计（accelerometer）检测什么 - 陀螺仪（gyroscope，也称作gyro）检测什么 - 如何将传感器ADC读取的数据转换为物理单位（加速度传感器的单位是g，陀螺仪的单位是度/秒） - 如何结合加速度传感器和陀螺仪的数据以得到设备和地平面之间的倾角的准确信息 在整篇文章中我尽量将数学运算降低到最少。如果你知道什么是正弦、余弦、正切函数，那无论你的项目使用哪种平台你应该都会明白和运用这篇文章中的思想，这些平台如Arduino、Propeller、Basic Stamp、Ateml芯片、PIC芯片等等。总有些人认为使用IMU单元需要复杂的数学运算（复杂的FIR或IIR滤波，如卡尔曼滤波，Parks-McClellan滤波等）。你如果研究这些会得到很棒且很复杂的结果。我解释事情的方式，只需要基本的数学。我非常坚信简单的原则。我认为一个简单的系统更容易操作和监控，另外许多嵌入式设备并不具备能力和资源去实现需要进行矩阵运算的复杂算法。 我会用我设计的一个新IMU模块——Acc_Gyro Accelerometer + Gyro IMU作为例子。在下面的例子中我们会使用这个设备的参数。用这个模块作为介绍非常合适，因为它由3个设备组成： - LIS331AL (datasheet) – 3轴2G 模拟加速度计 - LPR550AL (datasheet) –双轴（俯仰、翻滚）500°/s 加速度传感器 - LY550ALH (datasheet) –单轴（偏航）陀螺仪最后这个设备在这篇介绍中不使用，不过他在DCM Matrix implementation中有重要作用

最全的陀螺仪基础知识详解

最全的陀螺仪基础知识详解 陀螺仪，又叫角速度传感器，是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置，同时，利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的装置也称陀螺仪。 一、陀螺仪的名字由来 陀螺仪名字的来源具有悠久的历史。据考证，1850年法国的物理学家莱昂·傅科（J.Foucault）为了研究地球自转，首先发现高速转动中地的转子（rotor），由于它具有惯性，它的旋转轴永远指向一固定方向，因此傅科用希腊字gyro（旋转）和skopein（看）两字合为“gyroscopei”一字来命名该仪器仪表。 最早的陀螺仪的简易制作方式如下：即将一个高速旋转的陀螺放到一个万向支架上，靠陀螺的方向来计算角速度。 其中，中间金色的转子即为陀螺，它因为惯性作用是不会受到影响的，周边的三个“钢圈”则会因为设备的改变姿态而跟着改变，通过这样来检测设备当前的状态，而这三个“钢圈”所在的轴，也就是三轴陀螺仪里面的“三轴”，即X轴、y轴、Z轴，三个轴围成的立体空间联合检测各种动作，然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。因此一开始，陀螺仪的最主要的作用在于可以测量角速度。 二、陀螺仪的基本组成 当前，从力学的观点近似的分析陀螺的运动时，可以把它看成是一个刚体，刚体上有一个万向支点，而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动，所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运动，更确切地说，一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子叫陀螺。将陀螺安装在框架装置上，使陀螺的自转轴有角转动的自由度，这种装置的总体叫做陀螺仪。 陀螺仪的基本部件有：陀螺转子（常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转，并见其转速近似为常值）；内、外框架（或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构）；附件（是指力矩马达、信号传感器等）。 三、陀螺仪的工作原理 陀螺仪侦测的是角速度。其工作原理基于科里奥利力的原理：当一个物体在坐标系中直线移动时，假设坐标系做一个旋转，那么在旋转的过程中，物体会感受到一个垂直的力和垂直方向的加速度。 台风的形成就是基于这个原理，地球转动带动大气转动，如果大气转动时受到一个切向力，便容易形成台风，而北半球和南半球台风转动的方向是不一样的。用一个形象的比喻解释了科里奥利力的原理。

加速度计和陀螺仪传感器原理、检测及应用

加速度计和陀螺仪传感器原理、检测及应用 摘要：微机电系统（MEMS）在消费电子领域的应用越来越普及，移动市场的增长也带动了MEMS需求的日益旺盛。实际上，MEMS传感器正在成为消费类和移动产品差异化的关键要素，例如游戏控制器、智能手机和平板电脑。MEMS为用户提供了与其智能设备交互的全新方式。本文简要介绍MEMS的工作原理、检测架构以及各种潜在应用。本文网络版地址：http：//https://www.wendangku.net/doc/c015877266.html,/article/247467.htm 关键词：MEMS；加速度计；陀螺仪；传感器 DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2014.5.013 引言 微机电系统（MEMS）将机械和电子元件集成在微米级的小型结构中。利用微机械加工将所有电气器件、传感器和机械元件集成至一片共用的硅基片，从而由半导体和微加工技术组合而成。MEMS系统的主要元件是机械单元、检测电路以及ASIC或微控制器。本文简要介绍MEMS加速度计传感器和陀螺仪，讨论其工作原理、检测结构以及目前市场的热点应用，对我们日常生活具有深远的影响。 1 MEMS惯性传感器 MEMS传感器在许多应用中测量沿一个或多个轴向的

线性加速度，或者环绕一个或多个轴的角速度，以作为输入控制系统（图1）。 MEMS加速度计传感器通常利用位置测量接口电路测 量物体的位移，然后利用模/数转换器（ADC）将测量值转换为数字电信号，以便进行数字处理。陀螺仪则测量物体由于科里奥利加速度而发生的位移。 2 加速度计工作原理 根据牛顿第二定律，物理加速度（m/s2）与受到的合力（N）成正比，与其质量（kg）成反比，加速度方向与合力相同。 上述过程可简单归纳为：作用力导致物体发生位移，进而发生电容变化。将多个电极并联，可获得更大的电容变化，更容易检测到位移（图4）。V1和V2连接至电容的每侧，电容分压器的中心连接到物体。 物体重心的模拟电压通过电荷放大、信号调理、解调及低通滤波，然后利用Σ-ΔADC将其转换为数字信号。将ADC输出的数字比特流送至FIFO缓存器，后者将串行信号转换为并行数据流。随后，可通过诸如I2C或SPI等串行协议读取数据流，再将其送至主机做进一步处理（图5）。 Σ-ΔADC具有信号带宽较窄，分辨率非常高，适合加速度计应用。Σ-ΔADC输出由其位数决定，很容易转换成“g”（单位），用于加速度计算。“g”为重力加速度。

两轮自平衡小车的设计

2015年陇东学院第十六届“挑战杯” 课外学术科技作品竞赛 双轮自平衡小车的设计与制作 学院：电气工程学院 班级：12级自动化本科班 姓名：周永 2015年12月8日

双轮自平衡小车的设计与制作 摘要：双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。通过运用外加速度传感器、角速度传感器等，可以实现小车的平衡自主前进。双轮自平衡小车，涉及到传感器的驱动，数据的处理，角度的计算，电机的控制等，内容比较丰富，可作为实践自动控制原理及单片机技术的一个不错选择，是自我锻炼的绝好选题，对于以后制作此方面的民用产品也有很大的启迪作用。 关键词：双轮；自平衡；控制；传感器 1.引言 目前市场上的各种电子产品及家电机器人等行业越来越多地用到了智能控制技术。可以说，当今社会是一个智能型社会。各方各面都在竭尽全力向着智能方向发展，不论是人工智能还是联网智能，都在突出一个智能。智能已经覆盖了我们生活的方方面面，我们正在被智能的概念所潜移默化。不论是智能手机、玩具还是机器人，都已经成了我们生活的一部分。正是在这种情况下，智能交通的发展也发生了翻天覆地的变化，从飞车到自动驾驶汽车，无不在向我们说明，现代人已经对智能型交通工具期待已久了。作为最新科技产品的一个代表，最近市场上新出现的独轮车越来越受到了消费者的青睐。可以想象，最近几年内此类产品将会在市场上争得一席之地。比起独轮车，两轮车具有同样的购买热度，但是设计难度却没那么高，所以我将选择了从双轮车开始玩起智能交通工具。 2设计方案 方案一：用51单片机作为主控制器,用MPU6050模块采集姿态数据，用光电编码器对5V直流电机进行编码，显示模块采用LCD12864液晶屏，电源采用三端稳压方案，用红外遥控控制小车行走。本设计简单廉价，然而由于主控的反应相对缓慢，很难满足设计要求。 方案二：采用STM32单片机作主控制器，仍然用MPU6050模块作姿态数据采集，而电机采用二手的型号为16G214E MR19的具有高精度霍尔编码器的原价2000+的瑞士进口12V直流电机，显示模块采用了更轻薄更清晰更小巧的

陀螺仪知识整理与解析

陀螺仪知识整理与解析 1、陀螺仪基础知识 (2) 2、Question and answer (2) 3、陀螺仪和加速度计的区别与联系 (3) 4、常用芯片介绍 (3)

1、陀螺仪基础知识 陀螺仪：测量角速度，是角速度传感器。时间积分后得到相对角度。陀螺和加速度计是惯性器件，是用来测量相对惯性空间的角速度（或对于积分类型的陀螺来说是角增量）和加速度。 在三维空间中描述一个刚体运动要六轴，三轴加速度，三轴角速度。测量角速度大部分芯片靠的是测量科特迪奥力，也就是让排水孔的水形成涡旋的力。 角速度跟角速率：速度是矢量、有方向。而速率是标量，只有大小，帶有平均的意味。如果采样点很快的話(dt趋于0)，速度和速率的数值是一样的。 航模的陀螺仪全是角速度传感器，不管是高端还是低端。 mems陀螺仪积分很多时候造成零偏的主要原因应该是随机游走。 2、Question and answer Q：角速度传感器如果在它的测量轴上匀速转动输出是否为定值？ A：是，不过首先要保证你是在匀速转动。 用过几种角速度传感器，发现匀速转动传感器，因为加了高通滤波，传感器输出的电平和静止时的电平一样，只有加速的时候电平才变动。 Q：如果在测量轴的某一位置静态输出为A，那么匀速转过45度后静止，那么此时输出是否为A？ A：如果是静止测量，是如此的。但由于频宽，通常信号有一点点滞后。 Q:用陀螺仪测角度的话，是不是对测出的角速度积分即可？网上看到有些资料说可以用陀螺仪和加速度传感器组合测角度，这种方法具体如何实现？ A：理论上如此，但是由于bias、drift、scale和数值积分的误差，积分结果是会漂移的。 假设加速度计测量到重力加速度时，可以对陀螺仪校正角

加速度计and陀螺仪原理

MEMS加速度计原理 技术成熟的MEMS加速度计分为三种:压电式、容感式、热感式。压电式MEMS加速度计运用的是压电效应，在其内部有一个刚体支撑的质量块，有运动的情况下质量块会产生压力，刚体产生应变，把加速度转变成电信号输出。 容感式MEMS加速度计内部也存在一个质量块，从单个单元来看，它是标准的平板电容器。加速度的变化带动活动质量块的移动从而改变平板电容两极的间距和正对面积，通过测量电容变化量来计算加速度。Freescale的MMA7660FC这一款加速度计（3-Axis Orientation/MotionDetection Sensor），这一款芯片也是利用这一原理设计的。datasheet的第9页介绍了其工作原理：当芯片有向右的加速度时，中间的活动质量快相对于另外两块电容板向左移动，这两平行板电容器的电容就发生了变化，从而测量出芯片运动的加速度。 热感式MEMS加速度计内部没有任何质量块，它的中央有一个加热体，周边是温度传感器，里面是密闭的气腔，工作时在加热体的作用下，气体在内部形成一个热气团，热气团的比重和周围的冷气是有差异的，通过惯性热气团的移动形成的热场变化让感应器感应到加速度值。 由于压电式MEMS加速度计内部有刚体支撑的存在，通常情况下，压电式MEMS加速度计只能感应到“动态”加速度，而不能感应到“静态”加速度，也就是我们所说的重力加速度。而容感式和热感式既能感应“动态”加速度，又能感应“静态”加速度。 从上面的分析中，我们可以看到利用容感式和热感式加速度计进行定向时，加速度计测得的加速度里面包括重力加速度在各个轴上的重力分量和动态运动引起的加速度分量。因而，我觉得我们在利用这一类加速度计进行定向时，必须将动态加速度去掉（较为困难）；在进行检测芯片的运动时，必须将重力加速度的去掉。 师兄，我觉得如果我们选择用加速度计来进行定向的话，我们可以考虑ST的LSM303DLH （5*5*1mm,0.83mA）这一款芯片。这一款芯片集成了测加速度和磁场的功能，完全可以满足我们定向的需求

两轮自平衡小车设计

两轮自平衡小车设计 一、任务要求 图1两轮自平衡车 两轮自平衡车结构原理如图1所示，主控制器（DSP）通过采集陀螺仪和加速度传感器得到位置信号，通过控制电机的正反转实现保持小车站立。 1、通过控制两个电机正反运动，实现小车在原地站立。 2、实现小车的前进、后退、转弯、原地旋转、停止等运动； 二、方案实现 2.1电机选型 图2直流电机 两轮自平衡车由于需要时刻保持平衡，对于倾角信号做出快速响应，因此对电机转矩要求较大。在此设计中选用国领电机生产的直流电机，其产品型号为GB37Y3530，工作电压6v-12v。为增大转矩，电机配有1:30传动比的减速器。

2.2电机测速方案 图3霍尔测速传感器 在电机测速方案上主流的方案有两种，分别是光电编码器和霍尔传感器。光电编码器测量精度由码盘刻度决定，刻度越多精度越高；霍尔传感器精度由永磁体磁极数目决定，同样是磁极对数越高精度越高。由于两轮自平衡车工作于剧烈震动环境中，光电编码器不适应这种环境，因此选用霍尔传感器来测量速度。电机尾部加装双通道霍尔效应编码器，AB双路输出,单路每圈脉冲16CPR,双路上下沿共输出64CPR，配合1:30的减速器传动比，可以计算出车轮转动一圈输出的脉冲数目为64X30=1920CPR，完全符合测速要求。 2.3电机驱动控制系统概述 本平台电机驱动采用全桥驱动芯片L298N，内部包含4通道逻辑驱动电路，两个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器。本驱动桥能驱动46V、2A 以下的电机。其输出可以同时控制两个电机的正反转，非常适合两轮自平衡车开发，其原理图如下图所示 图4L298N原理图 采用脉宽调制方式（即PWM，Pulse Width Modulation）来调整电机的转速和转向。脉宽调制是通过改变发出的脉冲宽度来调节输入到电机的平均电

陀螺仪和加速度总结

陀螺仪、加速度之我见 作者：茶不思 可能一个模块一个模块的讲有些啰嗦,而且这些模块的使用方法网上也有很多教程,我以后就不在说这个了.大家有问题就搜索下吧,很容易找到.我目前用到的外设有:timer,usart,iic,spi,flash,gpio,exit,暂时就这么多. 今天想跟大家谈谈加速度计和陀螺仪,不少人在问加速度计陀螺仪的数据读出来了怎么用,咱们就从这两个传感器的特点开始了解下,了解了特点,用法就很容易了. 以下仅代表个人观点,有哪里不对,还请指出.... 做个比喻吧,加速度计,以下简称加计,大家可以把它想象成一个铁块,这个铁块是个立方体,有前后左右上下六个面,每个面连接有一个弹簧,弹簧另一端假设固定在一个卡车的集装箱里面,这样这个铁块就被这六个弹簧吊在集装箱里面了,由于铁块有重力,所以汽车不动时,上面的弹簧被拉长,下面的弹簧被压缩,这里假设是通过测量弹簧的拉力来输出加速度(实际有可能是电容什么的,这里不做讨论,了解特性就好),六个弹簧,两两一组,正好3个轴,这就是3轴加速度了,静止不动时,只有Z轴也就是上下两根弹簧有读数,其他两对弹簧是平衡的.现在假设汽车在做加速运动,那么不仅仅上下两根弹簧不平衡了,前后两根弹簧也会有变化,前面的弹簧拉长,后面的弹簧压缩,就有了前后方向的加速度.左右也是一个道理. 知道了加计的大致原理,那么加计有什么特点呢?让我们大家想象一种情况,就是这辆卡车行驶在颠簸的路上,集装箱里面的铁块肯定不会稳稳的吊着了,他会随着汽车左摇右摆,上下颠簸,而且有一点大家注意,铁块的此时的摆动,不是完全和汽车同步的,由于惯性等原因,铁块会在里面"乱动",荡来荡去,此时的加速度输出会是怎么样的呢?肯定也是随着铁块"荡来荡去",所以我们得出加计的一大特点,就是对震动很"敏感",如果把飞控板放在桌子上静止不动,可以说随便一个姿态算法的输出都不错,哪怕不滤波.可以当电机一转动起来,震动来了,加计就有了很大的干扰,此时如果处理不好,姿态就乱掉了. 然后我们再说说陀螺仪,陀螺仪顾名思义,肯定和陀螺有很大关系,没错,特点也和陀螺一样.还是假设在这个车里面,我们放上一个小时候玩的陀螺,不管用了什么方法,让它高速旋转起来,大家都知道,这样陀螺是不会倒的,他会尽量保持当前的姿态,陀螺仪正是利用这个特点.我们看两段视频来了解下. 通过视频,大家可以看到,陀螺在高速旋转时,是会尽量保持转轴不变的.那么我们就可以想到陀螺仪的特点了,就是对震动是"不敏感"的,因为它会尽量保持自己不被震动改变,但是陀螺会不断累积误差,造成"漂移". 好了,这里我们知道了加计和陀螺仪的特点,再考虑怎么使用,就简单多了,

基于PID控制的两轮自平衡小车设计(附有程序)

基于PID控制两轮自平衡小车设计

目录 1.方案设计论证 (3) 1.1单片机的选择与论证 (3) 1.2显示模块的选择与论证 (3) 1.3按键模块的选择与论证 (4) 1.5电机模块的选择与论证 (5) 2.硬件设计 (5) 2.1微控制模块设计与分析.................................................................. 错误！未定义书签。 2.2传感器模块设计与分析.................................................................. 错误！未定义书签。 2.3显示器模块设计与分析.................................................................. 错误！未定义书签。 2.4按键模块设计与分析...................................................................... 错误！未定义书签。 2.5电源模块设计与分析...................................................................... 错误！未定义书签。 3.特色创新 (5) 4.总结 (7) 参考文献 (8)

两轮自平衡小车设计 摘要：以Kinetis_K60微处理器单片机作为控制核心，通过PID算法，利用陀螺仪，摄像头、加速度计、编码器和液晶显示器等元件，设计了此两轮自平衡控制小车，实现了小车的自动平衡。该系统的创新主要体现在可以自动循迹，实时的显示周围环境的温度及小车行驶速度，以便用户可以了解当时的温度和小车的速度。该系统的主要特点是方便，快捷，环保。 关键词：Kinetis_K60微处理器，PID,陀螺仪，加速度计，液晶显示器 Abstract：We use Kinetis_K60 micro processor control with micro controller as the core,through the PID algorithm, using gyroscopes, cameras, accelerometers, encoders and LCD monitors and other components,designed the two-wheeled self-balancing control car to achieve as elf-balancing car.Innovation is mainly reflected in the system can automatically tracking, real-time display of temperature and speed of the car with the surrounding environment,so that users can under stand the prevailing temperature and the speed of the car.The main features of the system is easy, fast and environmentally friendly. Keyword：Kinetis_K60 micro processor PID algorithm accelerometers 就目前市场上的小车来说，结构过于普通，而且大部分是通过四轮同时着地行走的，同时不够智能和人性化，所以我们设计了两轮自平衡控制小车。 1.方案设计论证 1.1单片机的选择与论证 方案一：凌阳公司的16位单片机。 该单片机是16位控制器，具有体积小、驱动能力强、可靠性高、功耗低、结构简单、具有语音处理、运算速度快等优点，但凌阳公司的单片机编程规则与传统的单片机大不相同，并且IO口数量相对于其他单片机来说较少。 方案二：ATMEL公司的AT89s52作为系统的控制器。 AT89s52单片机软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，成本低，被各个领域广泛应用。但是51系列单片机RAM、ROM等资源少，外围模块少，指令周期长。 方案三：Kinetis_K60微处理器。 Kinetis_K60微处理器，它具有144个I/O管脚，此处理器具有高速的处理速度和丰富的I/O管脚，可以作为整个小车的控制核心。 经过综合考虑，我们选择方案三。 1.2显示模块的选择与论证 方案一：采用LED数码管显示。 LED数码管显示虽然具有亮度高，醒目，价格便宜，寿命长；但是只能显示0～9的数字和一些简单的字符，电路复杂，占用资源较多且信息量小。 方案二：用12864液晶显示。 其优点是能显示更多的字符，功耗低，体积小，且有着良好的人机界面，能够实时的反映出系统当前的状态。 方案三：采用Nokia5110液晶显示。