摘要
近年来，随着智能机器人技术的快速发展，两轮自平衡机器人凭借其灵活的运动性能和广阔的应用前景（如服务巡检、教育娱乐等领域），逐渐成为研究热点。这类机器人需通过动态平衡控制实现自主运动，其核心挑战在于融合多传感器数据、设计高效控制算法及优化系统能效。现有研究多聚焦于控制策略改进，但在低成本嵌入式平台部署、传感器噪声抑制及能源效率优化等方面仍存在不足。针对上述问题，本文以STM32微控制器为核心，开展两轮自平衡机器人的系统设计与优化研究。
本文首先构建机器人硬件框架，选用STM32F4系列芯片作为主控单元，集成MPU6050惯性测量单元、编码器及电机驱动模块，实现姿-态与运动状态的实时采集。其次，提出一种改进的互补滤波与PID控制融合算法，通过姿态角解算优化和动态调参机制，提升系统在复杂扰动下的响应速度与稳定性。进一步设计能效优化策略，结合电机驱动PWM调制与电源管理模块，降低系统功耗。最后，通过Proteus搭建仿真程序验证算法性能，测试结果表明：所设计机器人在静止平衡、动态避障等场景下表现出良好的鲁棒性。本文研究为两轮自平衡机器人在嵌入式低功耗场景的应用提供了理论与技术参考。
关键词：STM32；平衡车；PROTEUS仿真；嵌入式开发
目录
第1章 绪论 5
1.1 平衡车概述 5
1.2 国内外研究现状 5
1.3 研究背景与意义 7
第2章 平衡车的平衡原理 8
2.1 两轮平衡车任务分解 8
2.2 平衡车动力学模型与倒立摆等效 8
2.3 姿态感知与传感器融合 9
第3章 平衡车控制系统硬件设计 10
3.1 控制系统硬件总体设计方案 10
3.2 MPU6050模块设计 11
3.2.1 MPU6050芯片概述 11
3.2.2 MPU6050硬件设计 11
3.3 电机及其驱动模块 12
3.3.1 电机及上面的编码器 12
3.3.2 电机驱动芯片硬件设计 14
3.4 电源模块设计 15
3.5 主控制器STM32F103ZE 16
3.6 无线射频nRF24L01模块 17
第4章 平衡车软件系统设计 19
4.1 控制系统软件总体设计方案 19
4.2 模块初始化及部分程序详解 20
4.2.1 GPIO口的初始化 20
4.2.2 串口的初始化 20
4.2.3 I2C初始化 21
4.2.4 MPU6050的初始化 23
4.2.5 MPU6050-DMP数字运算处理 23
4.3 控制算法设计 24
4.3.1 姿态角控制 24
4.3.2 速度控制 25
4.3.3 PID参数整定步骤 26
第5章 基于Proteus的系统验证仿真 28
5.1 Proteus软件概述 28
5.2 仿真设计流程 28
5.3 仿真结果 29
第6章 总结与展望 31
6.1 总结 31
6.2 展望 31
参考文献 32
致 谢 34
说明书
Proteus仿真
电路图
文件列表
