基于视觉导航两轮平衡车的设计 .pdfVIP

机械工程学院毕业设计（论文）

题目：基于视觉导航两轮平衡车的设计

专业：机械电子工程

基于视觉导航两轮平衡车的设计

摘要：本论文旨在研制一种单轴双轮平衡车并实现视觉导航辅助驾驶。该

系统的研究分为两部分，第一部分就是通过姿态传感器和姿态算法，补偿陀螺仪

漂移误差和加速度计动态噪声误差得到系统角度角速度以达到平衡直立的目的；

第二部分就是关于机器视觉的研究和视觉导航和辅助驾驶。

第一部分：

双轮平衡车实现原理就是通过系统的姿态传感器（陀螺仪和加速度计）监测

车体当前的俯仰状态和俯仰变化率状态（即为角度和角度度），由MCU计算处理

驱动电动机向前或者向后的加速度实现车体平衡的效果。

对于姿态监测，单独使用角速度传感器（陀螺仪）或者加速度传感器都是不

能提供有效的信息保持车体直立，本论文基于互补滤波通过角速度传感器和加速

度传感器进行角度融合，补偿陀螺仪漂移和加速度传感器动态噪声，估计最优俯

仰状态。

对于车体的直立控制、速度控制和方向控制，我们都要求准确性、稳定性、

强劲性等特点，应用最普遍的就是PID算法。本论文通过车体当前运行状态下的

直立偏差、速度偏差、方向偏差的比例、积分和微分（即为PID调节器），配合

控制理论线性系统叠加原理最终对车体的左右电机进行控制。

第二部分：

本论文通过CMOS摄像头采集路况实时信息，并对实时路况信息进行运算处

理，识别出道路元素最终以车体转向的方式达到视觉导航。

关键字：平衡车陀螺仪加速度计互补滤波PIDCMOS

目录

一、绪论：4

1.1研究背景：4

1.2研究意义：4

1.3现状分析：4

1.3.1国外现状：4

1.3.2国内现状：6

1.4本论文研究的内容：8

二、整体方案设计：8

2.1整体概述：9

2.2硬件设计：10

2.2.1电源设计：10

2.2.2复位电路设计：11

2.2.3MCU电源设计：12

2.2.4调试接口JTAG电路设计：13

2.2.5电机驱动模块电路设计：14

2.2.6陀螺仪加速度计电路设计：17

2.2.7CMOS摄像头电路设计：20

2.3软件设计：22

2.3.1MCU需要使用的资源配置：22

2.3.2PWM（PulseWidthModulation）输出模块：23

2.3.3陀螺仪加速度计采集模块：25

2.3.4周期中断定时器模块：27

2.3.5互补滤波算法及平衡控制模块：28

2.3.6速度采集及速度控制模块：39

2.3.7CMOS摄像头采集处理算法及转向模块：49

2.4人机接口及调试接口调试软件设计：54

三、总结与致谢：58

参考文献59

一、绪论：

随着国民生活质量的提高、国内高新技术的发展，特别是嵌入式技术和机器

人技术的发展，人民迫切希望更加智能更加方便的交通工具得到发明。为此，本

论文研究一种单轴双轮平衡代步车以及视觉导航技术实现辅助驾驶。

1.1研究背景：

近年来，国内机器人技术空前发展，机器人应用的领域也在不断扩大，当然

机器人所面临的环境和所需要执行的任务也是越来越复杂。特别是在一些危险地

带或者空间狭小人类无法触及的地方，机器人是一个很好的选择。

无论是因为何种目的而设计的机器人都是朝着人民生活水平不对安提高的

层次进行，为此一种两轮平衡代步车的概念被提出。

1.2研究意义：

两轮代步车是一个多变量、非线性的复杂不稳定系统。其运动环境复杂、运

动学方程非完整约束，控制任务具有一定的复杂性。但是双轮代步车具有结构简

单、运动灵活、适合在小空间内运动等特点，具有一定的应用前景。

为了让代步车朝着智能化发展，迫切需求其可以辅助驾驶，甚至自动驾驶，

为此我们需要研究机器视觉及图像处理方面的理论。

1.3现状分析：

1.3.1国