两轮小车原地转向的高精度控制系统设计开题报告

1. 研究目的与意义

两轮小车原地转向的高精度控制系统设计是工程实践性课题，主要的目的是完成相关产品的功能预研，同时可以培养我们将所学习的电路知识、单片机编程语言、程序设计等专业知识及技能运用到实际的嵌入式系统设计中，结合真正的电路板生产加工，完成具有一定专用功能的嵌入式单片机模块设计。

两轮小车的基础上，现已有两轮代步车（电动平衡车）的大力推广。这是集嵌入式 工业设计 艺术设计的产品集成创新技术，以嵌入式技术提升产品的内在智能化，以适应当代产品数字化、智能化的趋势，实现由内而外的创新。是现代人用来作为代步工具、休闲娱乐的一种新型的绿色环保的产物。而随着科技发展，越来越多以两轮小车为底座的智能接物机器人等将为人类社会生活带来不可估量的改变。但是目前市场上对两轮小车的原地转向精度控制普遍都没有重视，为了弥补这一方面的技术空缺，需要通过一定的技术方案来改善这一工程实践问题。

2. 课题关键问题和重难点

关键问题在于，一是关于两轮小车原地转向的高精度控制系统的基本功能的确定，二是实现各个功能的电路模块的划分，三是进行电路系统的原理图和电路板设计，四是运用相应软件进行单片机相应功能的编程设计和验证。

在整个流程中，最关键的在于确定功能以及功能划分，如如何实现小车的平衡与精确转向。而在实际操作中，总体的布局与结构的确立是第一步，而程序代码的编写将是一个难点。尤其是在编码过程中卡尔曼算法与PID算法的运用以及避免过于繁琐的程序是尤为重要的。其中，六轴传感器MPU6050与微控制器STM32F103R以及左右轮步进机间的相互连接与配合是至为关键的。而后期的调试过程中将不可避免的遇到的问题也是考验知识扎实性与设计态度的重要一环。总结而言，只有做好第一步的总体布局，第二步的模块构建，第三步在各模块连接后进行调试修正，才能较好的完成本次设计。

3. 国内外研究现状（文献综述）

在赵智的基于stm32的二轮自平衡电动车系统研制一文中，本论文重点对体积小、操作灵活又环保的二轮自平衡电动车进行研究。本论文研制了一台二轮自平衡电动车，其中机械部分包括各部件的设计加工。控制电路板采用stm32作为主控制器，采用6轴姿态传感器gy521-mpu6050测量小车倾角，采用ir2111芯片驱动电机。另外，控制电路板还包括转向按键中断电路、电压检测电路、指示灯电路以及串口调试模块等。进一步，论文编制了二轮自平衡车系统的控制软件。该软件通过卡尔曼滤波对6轴姿态传感器gy521-mpu6050测量的加速度和角速度信号进行处理，得到小车倾角，然后通过pid调整pwm占空比，控制直流电机的转速和方向，实现小车自动平衡和行走。通过实验调试，电动车可以初步实现基本功能，但是还有很多不足，有待完善。

在董文丽的车辆定位导航中的卡尔曼滤波算法研究一书中，对车辆定位导航中的卡尔曼滤波算法进行了一些探讨和研究，其主要内容如下。(1)首先概括介绍了智能交通系统的内容、车辆定位导航系统的发展过程及实现方案，并进行了细致的分析。(2)在基本卡尔曼滤波算法推导的基础上，对联合卡尔曼滤波算法作了详细介绍，并进行了最优性分析。给出了联合卡尔曼滤波算法模型，并将该法应用于车辆定位导航，建立了gps／dr组合导航模型，并进行仿真分析。仿真表明，该方法可有效提高车辆定位导航的精度。(3)对车辆定位导航中的卡尔曼滤波跟踪算法进行研究。建立了两种不同情况下的车辆目标模型和跟踪滤波器，给出了变维卡尔曼滤波跟踪算法和交互多模卡尔曼滤波跟踪算法，对车辆分别进行滤波跟踪仿真试验。上述两种方法的采用，能够有效地提高滤波跟踪的精度和可靠性，进而提高了车辆组合导航系统的容错性能和精确度。

在韩崇昭等翻译的多变量反馈控制分析与设计一书中，主要介绍了鲁棒多变量控制系统的分析和设计。尤其重点的讲述实用的反馈控制，从工程的观点深入分析多变量反馈控制问题，并不拘泥于控制理论的现成结论，而是根据实际问题衍生出新的概念，并采用新的方法解决这些问题。书中大量列举蒸馏过程控制，飞机发动机控制系统设计等实际工程问题，采用新的理论方法进行设计或控制系统实现，得到非常好的结果。该书的另一个特点是，把传统的方法和现代理论成果的密切结合，许多分析都是基于经典频域法，奇异值分解和μ分析等。书中还给出了许多实用的计算机可执行程序，可用于一类空置问题的设计或实现。主要内容还涵盖了控制器设计与模型简化方法，控制结构选择与分散控制等。

4. 研究方案

在整个流程中，主要用到六轴传感器MPU6050与微控制器STM32F103R与小车左右两轮的步进电机进行连接与算法使用达到设计效果。前期手动的进行小车平台轮子转动时的角度测量，形成的数据表用于和最后软件控制小车转动时通过传感器读出数据的计算对比，以此检测课题要求的小车转向精度控制达到的程度。通过先划分功能模块，后期就要进行程序的编写，而程序的编写中，各种算法的应用与精简尤为重要。过于繁琐的程序给检验与编写都带来巨大的难度。因此在编写程序时，需要提前多参考相关功能的完善的程序，以及及时查阅资料，在多种可选条件下，自己可以较好掌握与理解的前提下选择最优。其中，对于卡尔曼算法与PID算法的熟悉与深入了解尤为重要。而后期的调试过程也尤为需要重视。各方面思考，各参数的调整与协调，往往才能得到理想结果。在基础知识不够充沛的情况下，及时与导师沟通，查阅资料，才能更有效率更加准确地进行调试。总结而言，只有做好第一步的总体布局，第二步的模块构建，第三步在搭建后进行调试修正，才能较好的完成本次设计。

5. 工作计划

第1周：查找文献和翻译文献，通过知网，论文网等寻找相关内容的文献资料，为开题打下知识基础，了解知识大概。

第2周：撰写开题报告，确立大概的工作计划，并将所查阅的文献做大致总结。

第3周：电路系统的总体设计和规划，并进行系统功能的模块划分。