两轮机器人自平衡研究

两轮自平衡小车实习报告

实习报告：两轮自平衡小车设计与实现

一、实习背景及目的

随着科技的发展，机器人技术在各领域中的应用越来越广泛。两轮自平衡小车作为一种具有自平衡能力的新型轮式车，能够在工业生产、安防系统、智能家居、物流网等领域发挥重要作用。本次实习旨在学习和掌握两轮自平衡小车的设计原理和技术，培养实际动手能力和创新能力。

二、实习内容与过程

1. 理论研究

在实习开始阶段，我们对两轮自平衡小车的基本原理进行了深入研究。通过查阅相关资料，了解了两轮自平衡小车的运动学模型、控制算法以及硬件系统设计等方面的知识。

2. 硬件设计

根据实习要求，我们设计了两轮自平衡小车的硬件系统。主要包括STM32单片机、陀螺仪、蓝牙模块、电机驱动模块、电源管理模块等。在设计过程中，我们充分考虑了系统的稳定性和可靠性，选择了合适的硬件组件，并完成了各模块之间的电路连接。

3. 软件设计

在软件设计阶段，我们采用了PID控制算法，实现了直立控制、速度控制和方向控制等功能。通过编写程序，使得两轮自平衡小车能够在一定时间内自助站立并保持平衡。同时，利用蓝牙模块实现了手机APP远程控制功能，方便用户对小车进行操作和控制。

4. 系统调试与优化

在系统调试阶段，我们通过对小车的实际运行情况进行观察和分析，不断调整PID 参数，优化控制策略，提高了小车的平衡控制精度和稳定性。同时，针对小车在实际运行中可能遇到的各种问题，我们采取了相应的措施，保证了系统的可靠性和安全性。

三、实习成果与总结

通过本次实习，我们成功设计和实现了两轮自平衡小车。小车具备了自平衡能力，能够在不同地形环境中灵活运动。同时，通过手机APP远程控制功能，用户可以方便地对小车进行操作和控制。

两轮自平衡小车的研究与实现

摘要
介绍以飞思卡尔ＭＫ６０Ｎ５１２ＶＭＤ１００单片机为控制器和以ＭＭＡ７２６０加速度传感器及ＥＮＣ－０３角速度传感器等传感器元件作为传感检测系统的两轮自平衡小车系统。阐述了基于加速度传感器和角速度传感器获取两轮小车倾斜角度的滤波算法及其实现、自平衡控制算法及其实现，电机控制策略等相关问题。实验结果表明，此小车具有较好的平衡性和稳定性。关键词：两轮自平衡，角度滤波算法，加速度传感器，角速度传感器
（）（（） ω ｔ＝Ｅｋ１－ｅ）ｕｔｍ
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两轮同轴机器人的自平衡控制研究

・
应用研究・
两轮同轴机器人的自平衡控制研究
王建俊
（山东大学机械工程学院山东济南２０６）５０１
［摘要］究了一种控制两轮同轴机器人平衡的新方法。通过改良两轮机器人的总体机械结构，将整个机器人的重心降到轮轴高研度下方或者维持在通过轮轴的垂直平面内，在轮轴下方外加平衡摆杆以调节机器人重心，使之平衡，解决两轮自平衡机器人非线性、强耦合和绝对不稳定的特点。利用ＡＲＭＳｍ３系列单片机实现控制，陀螺仪ＥＴＳ６和双轴加速度传感器ＡＤＸＬ３ｔ２Ｗ８３０相结合提供
重性。因此这类系统对控制理论提出了很大的挑战，是检验各种控制方法处理能力的典型装置。两轮同轴机器人作为倒立摆
实验平台的实例化模型，为不确定性系统控制、非线性系统控制、自适应控制、智

两轮自平衡机器人

创新设计实训

设计题目：两轮双光感自平衡机器人完成日期：年 5 月

学院：机械工程学院

专业：机械工程及自动化指导老师：

小组成员：

天津理工大学机械工程学院

课程成绩评价表

学号姓名年级专业工作分工成绩

程序编写

论文撰写

程序编写

论文撰写

模型搭建

造型设计

模型搭建

造型设计

性能（70%）美观与创意（30%）整体

评价

评语：

一、问题的提出和分析

1.1 实验目标

两轮双光感自平衡机器人主要实验的目标：

能够依靠两个轮前后摆动来达到控制车体平衡的效果。

1.2 功能分析

两轮双光感自平衡机器人必须具备一些主要的功能：

小车必须在没有外部支撑点的情况下，通过两个光传感器所接收到的信息来控制小车保持平衡并且能够稳定的向前走。

二、模型的搭建

我们在初步分析了上述需要实现的功能后，开始了我们方案的选择和模型的搭建。首先，我们为了让马达的变速效果最直接的传递到轮上，所以采用直接将车轮安装在马达上的做法，然后为了实现车身中心不至于过高且过低，所以直接将两个马达横置，然后将控制器放置于其上，最后用各种大小不同的零件将这两个部件固定并合成一个两轮小车

搭建结果如图所示。

三、程序的实现

该小车的程序是通过乐高的一个名为Bricx Command Center的软件编辑的，因为该软件给马达提供了七级变速，所以便于调试马达的速度来打到控制的效果。外加该软件还有一个好处就是采用了高级语言，让编程者能够直观的看出所要执行的任务。

3.1 程序流程图

该程序是通过对小车两个轮的控制，以让小车通过自动调节重心的方法来保持平衡，通过前后两个光传感器接受外界光的读数的变化，判断现在小车车身的倾斜程度，然后以适当的功率带动车辆向倾斜方向运动适当距离使重心回复到正确位置。

自平衡双轮小车

前面的机器人项目以太阳能为动力的占多数，玩的话要么是大白天还要等出太阳，要么还要自己点个大灯泡，现在我们换种类型调剂一下，做一个特别一点的机器人——自平衡双轮小车。本项目只有一个简单的电学电路，依靠一个简易的反馈机构，却实现了被称之为高技术难度的自平衡小车。

本项目自平衡双轮小车的原理，其实就是靠小车前后来回运动保持平衡，原来考虑“来来回回”文艺一点可以称为“徘徊”，但是后来某网友看完视频之后有一给力的评语——忐忑，加上这也是近来网络流行语，同时也确实能够反映实际运行效果时那种焦躁不安的感觉，所以最后定名为“忐忑者”，哈哈。

一、基本原理

1.1、运动机理

1.2、控制原理

1.3、电路原理

二、准备工作

三、制作过程

3.1、传动机构

3.2、传感器

3.3、底盘结构

3.4、动力系统

3.5、电源系统

3.6、总装

3.7、调试

四、效果展示

五、完善升级

六、项目总结

一、基本原理

本项目机器人是一辆简易型的双轮自主平衡小车，通过一个简单的机械式传感器获取小车的姿态，并通过调节小车前后运动方向，使得小车依靠两轮也能保持一个直立平衡。

1、运动机理

双轮小车的自主平衡原理，其实就是不断的通过改变小车前后运动的方向，使小车的车身在竖直方向上保持一个动态的直立平衡。就类似杂技演员表演独轮车一样，需要不断的前后踩脚踏板使小车在前进和后退间不断变换，以保持一个平衡。

这个具体的平衡原理如下：

1、双轮自平衡小车一般长得都比较“高”，也就是重心位置比较高，位于车身底部的两个车轮是平行安装的，默认静止状态小车是无法保持一个直立的状态的。

两轮自平衡机器人的研究共3篇

两轮自平衡机器人的研究1

两轮自平衡机器人的研究

近年来，随着人工智能技术的不断发展，机器人正逐渐成为人类生活中的重要组成部分。而作为机器人中的一种，两轮自平衡机器人的研究也日趋成熟。本文将对两轮自平衡机器人的研究现状、原理、应用等方面进行介绍。

一、两轮自平衡机器人的研究现状

两轮自平衡机器人可以追溯到20世纪80年代，当时研究者Christopher C. H. Kwan在其博士论文中首次提出了实现两轮自平衡的方法。随着控制技术、电机技术、计算机技术等方面的发展，两轮自平衡机器人的研究也越来越广泛。目前，两轮自平衡机器人的研究主要涉及控制策略、动力学建模、轨迹规划等方面。

控制策略是两轮自平衡机器人研究中的核心问题，目前主要有PID控制、模糊控制、神经网络控制等方法。其中，PID控制是最基本的控制方法之一，能够实现较好的稳定性和鲁棒性。而模糊控制则可以处理非线性系统和模棱两可的问题，有较好的实用价值。神经网络控制则是利用神经元之间相互连接的方式，模拟人类大脑进行控制，有很高的容错性和自适应性。

动力学建模是对机器人的运动学和动力学模型进行建立，可以为控制策略的设计提供基础。在两轮自平衡机器人研究中，采用的动力学模型主要有倒立摆模型和悬挂模型。倒立摆模型是将两轮机器人抽象成一个质点和一个竖直平衡的杆，通过对杆的转动来实现机器人的前后倾斜。悬挂模型则是将两轮机器人视为一根绳子和一个质点，通过调整绳子的张力来实现机器人的前后倾斜。

轨迹规划主要是将机器人的控制信号转化成轨迹点的位置和速度，以确保机器人能够按照指定的轨迹进行运动。在两轮自平衡机器人研究中，轨迹规划的方法主要包括PID控制目标规划、工具函数法、动态规划等。

学习资料两轮机器人自平衡研究.ppt

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重心自调整的两轮机器人技术研究

参考文献3
基于模糊控制的两轮自平衡小车设计与实现，作者： XXX，出版物：《XXX》，出版时间：XXXX年X月。
THANKS
感谢观看
选择合适的电源类型，如锂电池、镍氢电池或铅酸电池，以满足机器人的续航和安全需求。
电源保护电路设计
设计保护电路来防止电源过充、过放或短路等问题，确保电源安全和稳定。
电源管理系统设计
实现电源的充放电管理和电量监测，以保障机器人的正常运行。
04
重心自调整两轮机器人软件算法研究
路径规划算法
传感器接口设计
传感器类型选择
选择合适的传感器类型，如编码器、陀螺仪或加速度计，以实现精确的姿态和位置检测。
传感器信号处理
设计信号处理电路来对传感器信号进行放大、滤波和转换，以获得准确的姿态和位置信息。
传感器接口电路设计
将传感器信号接入主控制器，实现数据的传输和处理。
电源管理系统设计
电源类型选择
05
实验与性能测试
实验平台搭建
硬件选择
选择合适的电机、传感器、控制器等硬件设备，以实现机器人的基本运动功能。
机器人组装
根据设计图纸和技术要求，完成机器人的组装和调试工作。
实验环境搭建
为机器人搭建实验场地，确保实验的可靠性和安全性。
运动性能测试
直线运动测试
测试机器人在直线运动中的表现，包括速度、稳定性等指标。

两轮机器人自平衡研究共37页

两轮机器人自平衡研究
51、没有哪个社会可以制订一部永远适用的宪法，甚至一条永远适用的法律。 ——杰斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样一种的网，触犯法律的人，小的可以穿网而过，大的可以破网而出，只有中等的才会坠入网中。 ——申斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大夏，庇护着我们大家；它的每一块砖石都垒在另一块砖石上。 ——高尔斯华绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒Hale Waihona Puke Baidu——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚

两轮机器人自平衡研究

• 在上述方程中,A、B和C均为矩陣,k是時間系数,x称为系統状态,u是系統的已知輸入,y是所測量的輸出.w和z表示噪音,其中变量w称为进程噪音,z称为測量噪音,它們都是向量. 则卡尔曼滤波的算法流程为：
9、两种卡尔曼滤波
• UKF：抽样卡尔曼滤波器 • EKF：扩展卡尔曼滤波器
扩展卡尔曼滤波器EKF
• 现在对于某一分钟我们有两个有关于该房间的温
度值：你根据经验的预测值系统的预测值和温度
计的值测量值.下面我们要用这两个值结合他们各自的噪声来估算出房间的实际温度值. 假如我们要估算k时刻的是实际温度值.首先你要根据k-1时刻的温度值,来预测k时刻的温度.因为你相信温度是恒定的,所以你会得到k时刻的温度预测值是跟k-1时刻一样的,假设是23度,同时该值的高斯噪声的偏差是5度5是这样得到的：如果k-1时刻估算出的最优温度值的偏差是3,你对自己预测的不确定度是4度,他们平方相加再开方,就是5.然后,你从温度计那里得到了k时刻的温度值,假设是 25度,同时该值的偏差是4度.
2、什么是卡尔曼滤波器
• 卡尔曼滤波是一种递归的估计,即只要获知上一时刻状态的估计值以及当前状态的观测值就可以计算出当前状态的估计值,因此不需要记录观测或者估计的历史信息.卡尔曼滤波器与大多数滤波器不同之处,在于它是一种纯粹的时域滤波器,它不需要像低通滤波器等频域滤波器那样,需要在频域设计再转换到时域实现.

两轮机器人自平衡研究

添加标题
改善生活品质：两轮机器人自平衡技术的应用将为人们的生活带来更多便利，如快递、物流、家庭服务等领域。
添加标题
创造就业机会：随着两轮机器人自平衡技术的普及和应用，将需要更多的技术人才和操作人员，从而创造更多的就业机会。
感谢您的观看
汇报人：XX
针对两轮机器人自平衡系统的特点，电源系统需要进行特殊设计和优化，以满足系
统的需求。
04
两轮机器人自平衡的关键技术
姿态检测与控制技术
姿态检测：实时监测两轮机器人的倾角和角速度，为控制算法提供反馈
控制算法：基于检测到的姿态信息，通过算法调整电机转速以实现自平衡
传感器融合：结合多种传感器数据，提高姿态检测的准确性和鲁棒性
该技术的应用场景包括但不限于个人出行、物流运输、公共交通等领域，具有广泛的市场前景和实际应用价值。
技术原理
两轮机器人自平衡技术的定义和原理平衡系统的组成和工作原理控制系统的设计和实现平衡调整和稳定性分析
技术应用场景
城市出行：作为短途出行工具，方便快捷
快递配送：用于最后一公里配送，提高效率
模块化：为了更好地实现两轮机器人自平衡技术的可扩展性和可定制性，未来将采用模块化设计，方便用户根据需要进行组合和扩展。
应用前景展望
城市出行：两轮机器人自平衡技术将为城市出行提供更加便捷、高效的方式。

两轮自平衡小车的设计与实现

一、本文概述

随着科技的飞速发展，智能化、自主化已经成为现代机器人技术的重要发展方向。两轮自平衡小车作为一种典型的动态稳定控制机器人，其设计与实现技术对于推动机器人技术的进步具有重要意义。本文旨在深入探讨两轮自平衡小车的设计理念、实现方法以及关键技术，为相关领域的研究者和爱好者提供有益的参考。

本文将首先介绍两轮自平衡小车的基本概念和原理，阐述其动态稳定控制的基本思想。随后，将详细介绍两轮自平衡小车的硬件设计，包括电机驱动、传感器选型、控制器设计等关键部分，并阐述各部件之间的协同工作原理。在此基础上，本文将重点探讨两轮自平衡小车的软件实现，包括平衡控制算法、运动控制算法以及人机交互界面设计等。

本文还将对两轮自平衡小车的性能优化和实际应用进行深入分析，探讨如何提高其稳定性、响应速度以及续航能力等问题。本文将对两轮自平衡小车的发展趋势和前景进行展望，为相关领域的研究和发展提供有益的参考。

通过本文的阐述，读者可以全面了解两轮自平衡小车的设计与实现过程，掌握其关键技术和应用方法，为推动机器人技术的发展做出

贡献。

二、两轮自平衡小车的基本原理

两轮自平衡小车，又称作双轮自稳车或双轮倒立摆，是一种基于动态稳定技术设计的个人交通工具。其基本原理主要涉及到力学、控制理论以及传感器技术。

两轮自平衡小车的稳定性主要依赖于其独特的力学结构。与传统三轮或四轮的设计不同，双轮自平衡小车只有两个支撑点，这意味着它必须通过动态调整自身姿态来维持稳定。这种动态调整的过程类似于杂技演员走钢丝，需要精确的平衡和快速的反应。

两轮自平衡机器人的LQR实时平衡控制

ｗｈｅｅｌｅｄｒｏｂｏｔｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｎｖｅｒｔｅｄｐｅｎｄｕｌｕｍFra Baidu bibliotek ｍｏｄｅ１．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｗｏｗｈｅｅｌｅｄｂｌａａｎｃｉｎｇｒｏｂｏｔｓ；ＬＱＲ；ｂａｌａｎｃｅ；ｉｎｖｅｒｔｅｄｐｅｎｄｕｌｕｍ
ｚＨＡＮＧＪｉｎ．ｘｕｅ．ＺＨＡＮＧＭｉｎｇ
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕａｉｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｉａｎｙｕｎｇａｎｇ２２２００５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｗｏｗｈｅｅｌｅｄｂａｌａｎｃｉｎｇｒｏｂｏｔｓｈａｓｂｅｃｏｍｅＢｎｉｆｅｌｄｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｔｈａｔｍａｙｗｅｌｌｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｆｕｔｕｒｅｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ

两轮自平衡机器人的研究

一、本文概述

随着科技的不断发展，机器人技术已成为当今科技领域的研究热点之一。其中，两轮自平衡机器人作为一种具有高度自主性和稳定性的机器人，其研究和应用受到了广泛关注。本文旨在深入探讨两轮自平衡机器人的基本原理、技术特点、控制方法以及在实际应用中的挑战与前景。

本文将简要介绍两轮自平衡机器人的发展历程和现状，分析其在不同领域的应用价值。接着，重点阐述两轮自平衡机器人的关键技术，包括传感器技术、控制算法、动力学建模等方面。在此基础上，本文将探讨如何设计和实现一种稳定、高效的两轮自平衡机器人，并分析其在实际应用中可能遇到的问题和挑战。

本文还将对两轮自平衡机器人的未来发展趋势进行展望，探讨其在智能交通、物流运输、娱乐休闲等领域的应用前景。通过本文的研究，旨在为相关领域的研究人员和爱好者提供有益的参考和启示，推动两轮自平衡机器人技术的进一步发展和应用。

二、两轮自平衡机器人基础理论

两轮自平衡机器人，又被称为双轮自稳定车或自平衡电动车，是

一种新型的个人交通工具。其设计灵感来源于倒立摆的原理，通过复杂的电子系统和精密的机械结构，实现了无人驾驶下的动态平衡和稳定行走。在理解两轮自平衡机器人的工作原理之前，我们首先需要了解几个核心的理论基础。

动力学模型：两轮自平衡机器人的动力学模型是理解其运动行为的基础。它通常被简化为一个倒立摆模型，其中机器人被视为一个质点，通过两个轮子与地面接触。这个模型需要考虑重力、摩擦力、电机扭矩等因素，以及机器人的姿态（如俯仰角和偏航角）和速度。

控制理论：为了保持平衡，两轮自平衡机器人需要实时调整其姿态和速度。这通常通过控制理论来实现，特别是线性控制和非线性控制理论。例如，PID控制（比例-积分-微分控制）被广泛用于调整机器人的姿态和速度，而模糊控制、神经网络控制等先进控制方法也被应用于提高机器人的稳定性和适应性。

两轮自平衡机器人-2019年精选文档

两轮自平衡机器人

0 引言

两轮自平衡机器人作为一种本征不稳定轮式移动机器人，具有多变量、非线性、强耦合和参数不确定等特点，这使得它成为验证各种控制算法的理想平台。同时它运动灵活、结构简单，适于在狭小的空间工作，有着广泛的应用前景。两轮自平衡机器人能够完成多轮机器人无法完成的复杂运动及操作，特别适用于工作环境变化大、任务复杂的场合。开展两轮自平衡机器人的研究对于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。

1 系统总体结构

两轮自平衡机器人主要由车身和左右两个驱动轮组成，两个驱动轮的轴线位于同一条直线上，但由各自的电机独立驱动。机器人倾斜角度由姿态传感器检测，速度检测系统由霍尔传感器和编码器组成，为控制系统提供反馈信号。两轮自平衡机器人平衡控制的基本思想是：当测量倾斜角度的传感器检测到体产生倾斜时，控制系统根据测得的倾角产生一个相应的力矩，通过控制电机驱动两个车轮向车身要倒下的方向运动，以保持机器人自身的动态平衡。系统主要由以下几个模块组成：瑞萨RL78/G13 单片机最小系统、电源模块硬、姿态检测模块、电机驱动模块、速度检测模块，如图1所示。

图1 系统总体结构图

图2 平衡机器人力学模型图

2 平衡机器人力学模型

为了获得平衡机器人的平衡方程，需要分析其力学结构，平衡机器人的主要构成是车身和左右两个车轮，影响平衡的参数有：重心、质量、转动惯量、半径。建立力学模型，如图2所示。

假设平衡机器人为刚体，左右两轮完全对称，并且忽略车轮与地面之间的滑动与侧向滑动，以左轮和车身为研究对象得到如下方程：

两轮平衡车原理

平衡车是一种基于动态稳定原理的个人代步工具，能够保持垂直方向的平衡状态并进行前后移动。其工作原理主要包括两个方面，即倾角检测与动力控制。

1. 倾角检测：平衡车内置了一种倾角传感器，通常为陀螺仪或加速度计。这些传感器能够感知平衡车倾斜的角度，并将倾斜角度的信息传输给控制系统。

2. 动力控制：平衡车根据倾斜角度的信息，通过内置的控制系统来实现动力控制。控制系统可以分为三个主要组件：计算器、电机和电池。

- 计算器：计算器是平衡车控制系统的核心，它接收倾斜角

度传感器的信息，并进行实时计算和分析。根据计算结果，计算器会发送指令给电机进行相应的调整。

- 电机：平衡车通常配备两个电机，分别安装在车轮上。电

机可以根据计算器的指令来实现动力调整，以保持平衡状态。当平衡车倾斜时，电机会自动调整转速，使车身回到平衡状态。

- 电池：平衡车使用电池作为动力源，通过供给电机所需的

电力来推动车轮。电池的电能可以通过外部电源进行充电。

在平衡车的操作过程中，倾角检测和动力控制不断地进行反馈循环，使得平衡车能够自动调整车身姿态，达到平衡状态。当用户倾斜身体或调整重心时，倾角传感器会检测到角度变化，

并将这个信息传输给计算器。计算器会根据倾角传感器的数据来判断是否需要对电机进行调整，以使平衡车保持稳定。

总的来说，两轮平衡车利用倾角检测和动力控制的原理，实现了自动平衡功能。这使得人们能够轻松地操纵平衡车进行代步或娱乐。