常熟理工学院学报（自然科学）JournalofChangshuInstituteofTechnology（NaturalSciences）第37卷第2期2023年3月Vol.37No.2Mar.,2023基于卡尔曼滤波的自平衡电单车设计刘展志，王彦栋，张宁，李鑫（常熟理工学院电气与自动化工程学院，江苏常熟215500）摘要：针对自行车在运动过程中因自身不精确的系统模型和外界扰动等因素导致的车体不稳定甚至倾倒的问题，模拟自行车结构，设计了一种前后两轮的自平衡电单车控制系统．该系统采用卡尔曼滤波对MPU6050原始数据进行处理，系统的可行性得到了分析验证．在建立电单车物理模型后，选择位置式PID算法控制舵机，实现了电单车姿态的快速调整，最终使系统能够运行稳定．关键词：卡尔曼滤波；姿态检测；舵机控制；PID算法中图分类号：TP242.6文献标志码：A文章编号：1008-2794（2023）02-0048-05收稿日期：2022-02-16通信作者：李鑫，高级实验师，研究方向：智能控制技术与现代检测技术，E-mail：lixin_cx@163.com．自行车控制系统是无人驾驶技术的新兴问题．无人自行车与常见的四轮车相比具有运动灵活、成本低、绿色环保[1]等优点，在日常出行解决交通拥堵等领域具有独特的应用前景．常规自行车由车把控制平衡，以后轮传动作为驱动，车身侧由骑行者调整自身重心及姿态以持续维持系统平衡，而在非连续控制的情况下系统极不稳定．本文设计的自平衡电单车系统结构上与自行车类似且体型较小，采用低成本的检测和控制方法，能较好地模拟自行车自主行驶中的平衡和控制问题，可输出稳定的姿态角并使系统快速响应，以达到平衡和转向的目的．1系统总体设计姿态检测和舵机控制以STC16F40单片机作为主控制器，使用MPU6050作为姿态传感器，并将数据经过卡尔曼滤波进行融合，最终得出系统的车身倾角．再将它与上位机发送的蓝牙信号叠加后可实时控制舵机改变目标角度．2系统硬件设计考虑到卡尔曼滤波在软件上的复杂性，本系统选用了一款STC公司新发布的性价比较高的16位单片机，速度比传统的8051约快70倍．系统使用单电机驱动后轮，驱动电路使用DRV8701芯片搭建H桥，舵机则图1系统设计框图使用了扭矩较大、响应速度较快的S3010．电单车的运行方向通过蓝牙串口模块，由手机APP对其进行遥控．对于姿态原始数据的读取则是采用软件模拟I2C协议，最终将数据发送到OLED屏幕上，便于观测和调试．系统设计框图如图1所示．DOI:10.16101/j.cnki.cn32-1749/z.2023.02.021第2期493姿态检测算法设计3.1姿态数据处理流程首先，通过单片...
