双闭环串级控制算法自平衡两轮车研究
两轮自平衡小车双闭环PID控制设计
两轮⾃平衡⼩车双闭环PID控制设计两轮⾃平衡⼩车的研究意义1.1两轮平衡车的研究意义两轮平衡车是⼀种能够感知环境,并且能够进⾏分析判断然后进⾏⾏为控制的多功能的系统,是移动机器⼈的⼀种。
在运动控制领域中,为了研究控制算法,建⽴两轮平衡车去验证控制算法也是⾮常有⽤的,这使得在研究⾃动控制领域理论时,两轮平衡车也被作为课题,被⼴泛研究。
对于两轮平衡车模型的建⽴、分析以及控制算法的研究是课题的研究重点和难点。
设计的两轮平衡车实现前进、后退、转弯等功能是系统研究的⽬的,之后要对车⼦是否能够爬坡、越野等功能进⾏测试。
⼀个⾼度不稳定,其动⼒学模型呈现多变量、系统参数耦合、时变、不确定的⾮线性是两轮平衡车两轮车研究内容的难点,其运动学中的⾮完整性约束要求其控制任务的多重性,也就是说要在平衡状态下完成指定的控制任务,如在复杂路况环境下实现移动跟踪任务,这给系统设计带来了极⼤的挑战。
因此可以说两路平衡车是⼀个相对⽐较复杂的控制系统,这给控制⽅法提出了很⾼的要求,对控制理论⽅法提出来很⼤的挑战,是控制⽅法实现的典型平台,得到该领域专家的极⼤重视,成为具有挑战性的控制领域的课题之⼀。
两轮平衡车是⼀个复杂系统的实验装置,其控制算法复杂、参数变化⼤,是理论研究、实验仿真的理想平台。
在平衡车系统中进⾏解賴控制、不确定系统控制、⾃适应控制、⾮线性系统控制等控制⽅法的研究,具有物理意义明显、⽅便观察的特点,并且平衡车从造价来说不是很贵,占地⾯积⼩,是很好的实验⼯具，另外建⽴在此基础上的平衡系统的研究,能够适应复杂环境的导航、巡视等,在⼯业⽣产和社会⽣中具有⾮常⼤的应⽤潜⼒。
两轮平衡车所使⽤的控制⽅法主要有:状态回馈控制、PID控制、最优控制、极点回馈控制等,这些控制⽅法被称为传统控制⽅法。
1.2 本⽂研究内容（1）两轮⾃平衡⼩车的简单控制系统设计。
（2）基于倒⽴摆模型的两轮⾃平衡⼩车的数学建模。
（3）利⽤MATLAB⼯具进⾏两轮⾃平衡⼩车的系统控制⽅法分析。
自平衡两轮电动车运动控制系统的硬件设计及实现
自平衡两轮电动车运动控制系统的硬件设计及实现作者：王娜孙思远来源：《科技视界》2016年第14期【摘要】两轮自平衡小车是一种不稳定系统，只有通过调节两轮的运动快慢和方向才能使其达到动态的平衡。
本文基于stm32系列单片机，从硬件原理开始分析说明，阐述了控制系统的硬件设计，对陀螺仪和加速度传感器测量实际倾角的过程和方法做了仔细分析说明，并设计了双闭环 PID 控制器，同时对系统中涉及的滤波算法和PID控制算法做了理论分析，给出了整个系统的软件控制流程。
通过实验表明两轮自平衡小车基本能够实现直立控制。
【关键词】平衡控制；PID控制器；卡尔曼滤波；STM32；传感器0 引言移动机器人技术是目前科学技术发展最活跃的领域之一，而两轮自平衡小车又是移动机器人研究中的一个重要领域[1]，两轮自平衡小车系统具有本质不稳定、多变量、非线性、强耦合等特点，并且涉及到复杂的运动学、动力学系统和很多控制算法[2]。
本文在对该控制理论分析的基础上通过PID控制和卡尔曼滤波，最终实现对平衡车的系统设计。
1 自平衡两轮电动车的运动控制原理由于该模型是单轴双轮，所以在车体与竖直方向产生倾角的时候，小车就会在车体重力沿水平方向的分力作用下运动而不能保持静止，但是我们可以通过电机控制两个轮子的转速和转向，从而使其抵消其倾斜的趋势，这样便可以使两轮小车保持自平衡。
[3]两轮自平衡小车的总体控制原理如图1所示。
整个系统的核心是STM32F103C8T6单片机，该系统主要由运动处理传感器、电机驱动、电源管理电路、串口通信、直流无刷电机和磁电编码器组成。
MPU6050内部集成陀螺仪和加速度计，分别用于测量角速度和角加速度，并将采集到的数据存放到FIFO寄存器，通过I2C协议传输给单片机后进行卡尔曼滤波，就可以得到正确的倾角。
而电机的转速则是由磁电编码器返回到单片机并计算出一定时间内的计数来判断车速的大小和方向。
电机驱动则选用TB6612FNG来控制两个直流电机的正转、反转、制动和调速功能。
两轮自平衡车平衡控制系统的研究
因为它既有理论研究意义又有实用价值，所以两轮自平衡小车的研究在最近十年引起了大量机器人技术实验室的广泛关注。
由于特殊的两轮结构，自平衡小车本身就是一个不稳定系统。如何让双轮小车在保持稳定的基础上实现前后行驶以及自由转向，成为一个技术上的问题。解决这一问题，将要用到机械设计和自动化专业的知识，涉及电子、机械、运动学、控制学等多学科知识。
两轮自平衡车以其体积小、灵活度高等优势，进入市场便得到大众的青睐，众多公司中又以Segway公司的产品更为大众所认可。双轮自平衡车以其众多优势在面向以观光游览、休闲散心、购物代步为主的短途旅行成为得力的代步工具。
1.1.2
同时，两轮自平衡小车作为一种新式交通工具，以电力为能源，清洁无污染，便携体积小，对于减小工作日里的交通拥堵，减轻环境污染程度，起到建设性的作用。
双轮自平衡车系统可进一步抽象化为一级倒立摆结构。经过对一级倒立摆结构的数学建模和运动学分析，结合控制学原理，可以得出使双轮自平衡车保持动态稳定的几个条件。（详见第二章自平衡系统的分析）
双轮自平衡车平衡控制系统以STM32F103C8T6芯片作为主控芯片运用姿态传感器MPU6050，结合数据滤波算法进行数据融合，建立闭环控制系统驱动直流电机。再用编码器实时监测电机转速以反馈给主控系统，形成一个小闭环。最终能够实现双轮自平衡车的平衡控制。（详见第三章系统硬件组成）
双轮自平衡车的双闭环式PID控制系统设计与实现
双轮自平衡车的双闭环式PID控制系统设计与实现摘要：双轮自平衡车是一种集环境感知、规划决策、自主驾驶等功能为一体的综合性系统。
提出了一种双闭环式PID控制系统实现双轮自平衡车的控制。
针对传统的PID控制算法的缺陷，该系统引入了双闭环式PID改进平衡车的控制算法。
同时对平衡车的硬件系统与软件控制系统进行了设计、实现与分析。
实验表明：所提出的控制系统是有效可行的，提高了平衡车的稳定性和动态响应性。
关键词：双轮自平衡车；PID控制算法；双闭环式PID控制系统传统的PID控制算法在平衡车控制系统中的应用存在很大的缺陷。
在传统的PID控制器中，积分控制环节的引入是为了消除被控量的静态误差，以提高控制精度；在平衡车控制系统中，由于平衡车在启动过程或车体在较差的路况中运行，车体倾角会发生大幅度地变化，平衡车系统在较短的时间内会产生较大的输出偏差。
此时，PlD控制器中的积分控制环节会导致系统产生较大的超调，甚至导致平衡车产生较大的震荡。
除此之外，传统的PID控制器忽略了平衡车中两个电机的性能差异，对两个电机采用同一个PID控制器，容易引起车体产生震荡。
本文提出了一种双闭环式PID控制系统，其避免了PID控制器中的积分环节在平衡车的倾角发生大幅度地变化的情况下引起的超调和震荡，解决平衡车两个电机性能差异对平衡车控制系统的干扰，提高了平衡车控制系统的稳定性。
1平衡车的优势及机械结构1.1平衡车的优势l、转向半径小，小巧灵活，适合在原地频繁转向和狭小空间的场合下使用；2、结构简单，由于可以通过直接控制电机驱动来完成启动、加速、匀速、减速等动作，省略刹车和离合等装置，使得整车结构设计更为简单。
3、绿色环保，可以作为短途代步工具，用于上下班或者出去购物游玩，可以穿梭与人流密集的闹市区，减少城市道路交通行驶车辆，既可以解决交通堵塞问题，又可以减少碳的排放，做到环保出行。
1.2机械结构本文研制的平衡车高57.8cm,宽41.5cm,两轮直径为8cm。
两轮自平衡电动车论文：两轮电动车自平衡控制算法的研究
两轮自平衡电动车论文：两轮电动车自平衡控制算法的研究【中文摘要】两轮自平衡电动车是一种新型的交通工具,它与电动自行车和摩托车车轮前后排列方式不同,而是采用两轮并排固定的方式,就像一种两轮平行的机器人一样。
该系统是一种两轮左右平行布置的,像传统的倒立摆一样,本身是一个自然不稳定体,必须施加强有力的控制手段才能使之稳定。
其体积小、结构简单、运动灵活,适于在狭小和危险的空间内工作,在民用和军事上有着广泛的应用前景。
本课题旨在研制一种两轮电动车自平衡控制系统,其工作原理是系统以姿态传感器(陀螺仪、加速度计)来监测车身所处的俯仰状态和状态变化率,通过高速微控制器计算出适当数据和指令后,驱动电动机产生前进或后退的加速度来达到车体前后平衡的效果。
本文在总结和归纳国内外两轮自平衡小车的研究现状后,选用AtmeDgal16微控制器、德国冯哈勃Faulhaber带编码器空心杯减速电机2342L012、MMA226D加速度计传感器和EWTS82陀螺仪、驱动车轮、设计制作主板和电机驱动板,组装两轮自平衡电动车模型;通过C语言编写自平衡控制程序,烧录程序,实车验证所选用的控制算法可行性。
在研究过程中,本文首先通过建立动力学模型,运用拉格朗日方程来验证系统中三个自由度可否能控,并且求出控制算法中的四个K值,基于陀螺仪存在漂移的问题及加速度计的动态响应慢,对于系统的姿态检测而言,单独使用陀螺仪或者加速度计,都不能提供有效和可靠的信息来反映车体的实时状态。
本文对传感器两者所采集的数据进行了卡尔曼滤波优化处理,补偿陀螺仪的漂移误差和加速度计的动态误差,得到一个更优的倾角近似值。
基于在过程控制中,PID控制器一直是应用最为广泛的一种自动控制器,PID控制也一直是众多控制方法中应用最为普遍的控制算法,它解决了自动控制理论所要解决的最基本问题,既系统的稳定性、快速性和准确性,调节PID的参数,可实现在系统稳定的前提下,兼顾系统的带载能力和抗扰能力,同时在PID调节器中引入积分项,系统增加了一个零积点,使之成为一阶或一阶以上的系统,这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。
双轮自平衡车的双闭环式PID控制系统设计与实现
制 系 统 的 干扰 ， 提 高 了平 衡 车 控 制 系 统 的稳 定 性 。
１ 硬 件 系统 设 计
衡 车 的稳 定性 和动 态 响应 性 。
关键词 ： 双 轮 自平 衡 车 ， Ｐ Ｉ Ｄ控 制 算 法 ， 双闭环式 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 系统
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔｈｉ ｓ ｐａｐ ｅｒ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅｎ ｔ ｓ ａ ｄｏ ｕｂｌ ｅ ｃ ｌ ｏ ｓ ｅｄ－ｌ ｏｏ ｐ ＰＩ Ｄ ｃ ｏｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｔ ｏ ａ ｃｈ ｉ ｅ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｏ ｆ ｔ ｗｏ－ｗｈ ｅ ｅｌ ｓ ｅ ｌ ｆ －ｂ ａｌ ａｎ ｃ —
ｓ ｙ ｓ ｔ ｅｍ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｂａｌ ａｎ ｃ ｉ ｎ ｇ ｃ ａｒ Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ ： ｗ ｏ— ｔ ｗｈｅ ｅｌ ｓ ｅｌ ｆ —ｂ ａｌ ａｎ ｃｉ ｎ ｇ ｖｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ， ＰＩ Ｄ ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏｌ ａｌ ｇｏｒ ｉ ｔ ｈ ｍ， ｄ ｏｕ ｂｌ ｅ ｃｌ ｏ ｓ ｅｄ－ｌ ｏｏ ｐ ＰＩ Ｄ
统的 Ｐ Ｉ Ｄ 控 制 器 忽 略 了 平衡 车 中 两个 电机 的性 能差 异 ，对 两 个
能 基 本 保 持 直立 ；速 度 控 制 部 分 中 ，利 用 编 码 器 反 馈 的 车 速 信
息， 通过双闭环式 Ｐ Ｉ Ｄ 控制 得 到速 度 控 制 量 ， 将 速 度 控 制 量 和 直
传统 的 Ｐ Ｉ Ｄ 控 制 算 法 在 平 衡 车 控 制 系 统 中 的 应 用 存 在 很 大
课件：4.6 自平衡式两轮电动车运动控制研究
4.6 自平衡式两轮电动车运动控制技术研究
1 引言
现代工业化、航空航天以及人们 的生活娱乐不断地为“控制技术”提 出新的问题与挑战，控制理论就是在 这样一个大环境中不断地向前发展和 应用的。随着交通工具向着小型、节 能、环保、便捷等方向发展，人们开 始对“电动车”产生了兴趣。
车会倒吗？
4.6 自平衡式两轮电动车运动控制技术研究
mR 2 L2 2f2
(l
r )
sin
cos
mRL 2
(
cos
2
sin
)
M
r
Fr R
4.6 自平衡式两轮电动车运动控制技术研究
➢ 模型线性化 10
l
r
a11 a21
a12 a22
a13 a23
1
0 0
0 0
0 0
l
1
a11 a12 a13 M l
r
a21
a22
a23
M
且电机转矩与控制电压之间关系为：
+
+
M km(U ke ),km 1.56,ke 1.62
U
em
-
M
n
4.6 自平衡式两轮电动车运动控制技术研究
我们选取 x [l r ]T为系统的状态变量，分别代表左右车轮转动角
速度、控制杆摆动角速度和摆动角度 ，带入实际参数
3.9114 0.3602 0 47.0760 2.4145 0.2223
4.6 自平衡式两轮电动车运动控制技术研究
两轮电动车仿真图：
封装
4.6 自平衡式两轮电动车运动控制技术研究
Pj,Lj,Rj(deg)
仿真(1): 给定控制杆初始偏角0.3rad，使之偏离平衡位置
两轮小车自平衡控制系统的研究与设计
两轮小车自平衡控制系统的研究与设计
随着传统交通工具带来的能源危机、交通拥堵、环境污染等问题日益凸显,人们对新型交通工具的需求日益迫切。
两轮自平衡小车体积小、方便携带,并且采用电池供电不会产生尾气,是现今交通运输领域研究的重点。
同时,两轮自平衡小车是动态稳定的系统,它有着强耦合、非线性、欠驱动、多变量的特点。
因此可以在两轮自平衡小车这个平台上对各种控制算法进行验证,具有一定的理论研究意义。
在两轮自平衡小车领域国内外研究现状的基础上,本文对小车的姿态角检测和自平衡控制进行了研究。
首先,采用牛顿力学原理对小车的车轮、车身和电机分别建立数学模型,并根据三者之间的关系建立小车整体系统的模型。
然后,对小车模型在平衡位置进行线性化,得到简化模型。
对简化的模型进行能观性和能控性分析并采用PID控制理论对小车系统设计平衡控制器。
小车的姿态角包括车身倾角和偏航角,它是小车控制器设计的重要变量,因此姿态角的准确性显得尤为重要。
在本文中使用四元数来描述姿态角,并且对微机电系统(MEMS)采集到的数据利用扩展卡尔曼滤波(EKF)原理进行融合,得到更为准确的姿态角。
最后,对小车各个模块选择相应的芯片,组装小车实体模型。
对两轮自平衡小车的驱动电路、主控电路、检测电路、无线通信电路进行设计,并对各部分编写程序,使小车能够正常工作。
在Matlab中对小车PID控制以及EKF数据融合进行了仿真分析,结果表明小车的PID控制器能够很好的对小车稳定控制,而利用EKF融合使得小车姿态角则更加准确。
在搭建的两轮自平衡小车实物展示中,小车能够保持良好平衡控制效
果。
两轮自平衡小车的设计与实现
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。
实现自平衡的关键在于控制理论的应用。
两轮自平衡小车通常搭载有先进的控制系统，该系统通过传感器实时监测小车的姿态（如倾斜角度、加速度等），并根据这些信息计算出必要的调整量。
控制系统随后会向电机发送指令，调整小车的运动状态，以保持平衡。
传感器在两轮自平衡小车中扮演着至关重要的角色。
常见的传感器包括陀螺仪、加速度计和角度传感器等。
基于串级PID控制的两轮自平衡车控制系统设计
基于串级PID控制的两轮自平衡车控制系统设计摘要：伴两轮平衡车的状态变量多、系统模型非线性、变量间强耦合、时变性等不稳定，需要高效的控制算法和控制周期。
本文采用串级PID控制系统配合互补滤波算法姿态解算，实时精确地控制无刷直流电机，以角速度环为最内环，角度环与速度环为外环实现了闭环控制。
系统结果表明，基于串级PID控制的控制系统能够有效控制两轮自平衡车的运行。
关键词：两轮自平衡车；控制算法；控制周期引言两轮平衡车是通过电机对左右两轮进行力矩输出保持平衡的类倒立摆系统，具有结构小巧、控制高效和转弯灵活等特点已经成为移动机器人的研究热点。
对于自平衡车控制系统，已有不同的控制理论被提出，其中常用于实际应用的控制算法有常规PID控制、自适应控制、模糊控制等。
采用串级PID控制系统配合互补滤波算法姿态解算，通过实时精确地控制无刷直流电机，以角速度环为最内环，角度环与速度环为外环实现了闭环控制。
在实践赛道中表现出具有良好的动态特性，反应迅速。
一、系统整体设计本文要求能识别赛道方向信息，自主控制姿态，通过两轮驱动以直立姿态行驶在铺有电磁线的赛道上，并且同时在微控制器上采集到的各个传感器信息无线传输到PC上位机。
系统设计整体架构如图 1，微处理器选用飞思卡尔的MK6ODN512ZVLQ1O为控制中心，通过外接电磁传感器、MPU6050三轴姿态传感器、测速512线编码器来获取当前车体的方向、姿态、速度信息。
通过微处理器运算后输出PWM控制信号给驱动模块驱动电机运转，同时通过NRF24L01无线传输模块发送信息到上位机进行监视。
二、软件设计2.1软件总体设计框架由于两轮平衡车是一种典型的倒立摆模型，根据平衡车的自平衡原理，当检测到传感器解算出的角度与预设机械零点角度不同即车体发生倾斜时，为保持车体平衡，需要电机发力驱动车向前或向后获得加速度，让重心移动来达到系统动态平衡。
在开通电源后，传感器必须进行初始化，从而保证传感器的工作正常。
一种采用双pid串级控制的双轮自平衡车的研制
摘 要一种采用双PID串级控制的双轮自平衡车的研制双轮自平衡车因其动力学系统同时具有多变量，非线性，不稳定，强耦合等特性，在研究各种控制方法等方面是较为领先的领域，所以双轮自平衡车的发展引起了人们广泛的关注。
双轮自平衡车可以用倒立摆模型进行分析，因其系统极其不稳定，务必要用强效巧妙的控制方法才能维持其稳定。
系统整体上主要由姿态传感子系统、CPU处理子系统、驱动子系统三部分构建而成，其中获取精确的姿态信息以及将获得数据进行融合和处理的算法决定了自平衡车的优劣。
其原理是自平衡车通过姿态传感器（MPU6050）高频率实时检测运行情况，将所采集的俯仰角和角度及加速度变化率传输给CPU，经由CPU融合处理并输出调整姿态的指令，从而驱动电动机使两个轮的转速发生相应的改变，实现车体平衡以及加速和减速的目的。
本文研制了一种采用双PID串级控制的双轮自平衡车，系统以STM32最小系统为核心板，采用运动处理传感器MPU6050实时检测角速度以及角度，并通过互补滤波的方式进行数据融合，用于减小传感信号温度漂移的影响，同时使自平衡车即使受到很大的外界干扰（如推拉、震动、颠簸等）也能够快速进行调整。
系统通过串级PID（Proportion Integration Differentiation）算法进行车体的控制，通过PD（Proportion Differentiation）控制使得车身能够直立运行，通过安装在直流电机上的测速码盘实时反馈电机转速和方向，并通过PI（Proportion Integration）控制来控制车身的速度。
该双轮自平衡车运用TB6612FNG电机驱动系统，调节PWM输出的占空比来改变电机的转速。
系统通过LM2940以及ASM1117子系统作为电源驱动，准确的转换电压并对STM32和电机供电。
最后对系统进行控制参数的调整和优化，最终实现让双轮自平衡车直立平衡运行的目标。
关键词：双轮平衡车,PID控制,互补滤波,姿态检测ABSTRACTDeveloping of a dual-wheel self-balancing vehicle using double PID cascade controlThe dual-wheeled self-balancing vehicle is a leading field in the research of various control methods because of its dynamic system of multi-variable, nonlinear, unstable and strong coupling, so the development of self-balancing two-wheeled vehicles has attracted widespread attention.The dual-wheel self-balancing vehicle can be analyzed by using inverted pendulum model. The system is extremely unstable, so it is important to use a effective method to maintain its stability. The system is mainly composed of three parts: attitude sensing subsystem, CPU processing subsystem and driving subsystem. The accurate attitude information and the algorithm which gets the data to be fused and processed determine the performance of self-balancing vehicle. The self-balancing vehicle detects operating conditions through the real-time high-frequency sensor (MPU6050), the collected pitch angle and acceleration rate of change is transmitted to the CPU, CPU fusion processing and output adjustment attitude commands, which drive the motor to make two wheels' speed change to achieve the purpose of acceleration, deceleration and balancing the body.In this paper, a dual-wheel self-balancing vehicle using double PID cascade control is developed. Using STM32 as the cord board and motion detection sensor(MPU6050)detects angular velocity and angle in real time. And performing data fusion by complement filter to reduce the influence of the temperature drift of the sensing signal. At the same time, even if the self-balancing vehicle suffers from great external interference (Push and pull, vibration, bump, etc.) can also be quickly adjusted. The system controls the vehicle body through the Proportion Integration Differentiation (PID) algorithm. By the control of PD (Proportion Differentiation), the vehicle body can be erected. The speed and direction of the motor are fed back in real time by the speed encoder installed on the DC motor. And using the control of Proportion Integration(PI) to control the body speed. The TB6612FNG driving system of motor is used in the self-balancing dual-wheel vehicle, and the motor speed is changed by adjusting the PWM output duty cycle. The system is powered by the LM2940 and the ASM1117 subsystem, which can convert voltage accurately, power theSTM32 and the motor. Finally, two-wheeled self-balancing vehicle upright balance operation is achieved by adjusting and optimizing the control parameters.Keywords:a auto-balancing vehicle with two wheels, PID control, Complementary filter, attitude detection目 录摘 要 (I)ABSTRACT (II)第一章 绪论 (1)1.1研究背景及意义 (1)1.2国内外研究现状 (1)1.2.1国外现状 (1)1.2.2国内现状 (5)1.3本文主要内容及章节内容 (6)第二章 平衡车系统原理分析 (7)2.1控制系统任务分析 (7)2.2平衡车数学模型 (8)2.2.1 平衡车的受力分析 (8)2.2.2平衡车的运动微分方程 (11)2.3 串级PID在平衡控制和速度控制中的应用 (12)2.3.1 PID算法简介 (12)2.3.2 PID算法在平衡控制中的应用原理 (14)2.3.3 PID算法在速度控制中的应用原理 (14)2.3.4 串级PID的原理及在系统中的应用 (15)2.4基于互补滤波的数据融合 (16)2.5本章小结 (16)第三章 系统硬件电路设计 (17)3.1 单片机最小系统STM32F103C8T6 (18)3.2系统电源模块 (19)3.3 运动处理传感器模块 (20)3.4电机驱动电路 (21)3.5编码器电路 (23)3.6底板综合设计 (24)3.7系统遥控电路设计 (26)3.7.1 单片机STC89C52 (26)3.7.2 无线收发器模块NRF24L01 (27)3.7.3 液晶显示模块12864 (28)3.8本章总结 (29)第四章 系统软件程序设计 (30)4.1主程序框架与初始化 (30)4.2 数据采集 (32)4.2.1.输入信号采集函数 (32)4.2.2.捕获电机脉冲函数 (32)4.3互补滤波数据融合算法 (33)4.4 串级PID控制 (33)4.4.1直立PD控制 (33)4.4.2速度PI控制 (34)4.5电机PWM输出 (36)4.6程序优化 (37)4.7本章小结 (37)第五章 系统调试 (38)5.1系统开发平台 (38)5.2姿态检测系统调试 (39)5.3控制系统PID参数的整定 (41)5.3.1直立PD控制参数调试 (41)5.3.2速度PI控制参数调试 (41)5.4本章小结 (42)第六章 总结与展望 (43)6.1总结 (43)6.2展望 (43)参考文献 (44)作者简介及攻读硕士期间发表的论文 (46)致 谢 (47)第一章 绪论1.1研究背景及意义近年来，双轮自平衡车的发展势头迅猛主要有以下两个原因，其一是它的实用性很强，可以应用到绝大多数领域，其二是支撑搭建双轮自平衡车的理论体系逐渐完善，技术手段日益先进，如数据获取更简单有效，数据处理更科学精确。
基于PID控制的两轮平衡小车(附原理图和程序讲解)
课程设计题目基于PID控制的两轮平衡小车学院XXXXX 专业班级XXXXXX小组成员XXXX 指导教师XXXXX X年 XX 月 XXX小组成员介绍及分工小组成员信息小组成员分工目录机电系统实践与实验设计 (1)一、研究背景与意义 (2)二、平衡原理 (2)2.1 平衡车的机械结构 (2)2.2 自平衡车倾倒原因的受力分析 (3)2.3 平衡的方法 (3)三、两轮平衡小车总体设计 (4)3.1 整体构思 (4)3.2 姿态检测系统 (4)3.3 控制算法 (5)四、matlab建模及仿真 (6)4.1 机械模型建模及仿真（Matlab_simulink） (6)4.2 联合控制器仿真（理想状态PID） (8)五、硬件电路设计 (9)5.1、硬件电路整体框架 (9)5.2、系统运作流程介绍 (10)5.3、硬件电路模块 (10)5.31 电源供电部分 (10)5.32 主控制器部分: (10)5.33 传感器部分; (11)5.34 驱动电路部分 (11)5.35 蓝牙控制模块 (12)5.36 超声波检测模块 (13)5.37 寻迹模块 (13)六、软件控制模块 (14)6.1 系统软件设计结构 (14)6.2 整体初始化过程 (14)6.3 程序设计 (15)6.31 PID-三个参数的调整 (15)6.32 OLED显示信息 (16)6.33 PID-采集信息 (16)6.34 PID-数据计算 (17)6.35 PID-结果输出 (18)6.36 超声波避障 (18)6.37 蓝牙控制 (18)6.38 寻迹实现 (19)七、总结 (19)附录 (21)摘要：两轮自平衡车结合了两轮同轴、独立驱动、悬架结构的自平衡原理，是一种在微处理器控制下始终保持平衡的集智能化与娱乐性于一体的新型代步工具。
整车由底盘、动力装置、控制装置和转向装置组成。
机械结构采用了双轮双马达驱动；控制主要采用的是反馈调节，为了使车体更好的平衡，使用了PID调节方式；硬件上采用陀螺仪GY521 MPU-6050来采集车体的旋转角度以及旋转角加速度，采用加速度传感器来间接测量车体旋转角度，同时，加入超声波检测模块，使小车能够自动完成避障功能；通过在两轮平衡车上加入两个寻迹模块（光电传感器）来识别场地上的黑白线，使得两轮自平衡车能够沿着黑线进行寻迹完成循迹功能。
基于串级PID控制的两轮自平衡车控制系统设计
基于串级PID控制的两轮自平衡车控制系统设计作者：杨皓明赵唯来源：《电脑知识与技术》2019年第16期摘要：两轮平衡车的状态变量多、系统模型非线性、变量间强耦合、时变性等不稳定，需要高效的控制算法和控制周期。
本文采用串级PID控制系统配合互补滤波算法姿态解算，实时精确地控制无刷直流电机，以角速度环为最内环，角度环与速度环为外环实现了闭环控制。
系统结果表明，基于串级PID控制的控制系统能够有效控制两轮自平衡车的运行。
关键词：两轮自平衡车; 控制算法;控制周期中图分类号：TP311; ; ; 文献标识码：A文章编号：1009-3044（2019）16-0288-02开放科学（资源服务）标识码（OSID）：两轮平衡车是通过电机对左右两轮进行力矩输出保持平衡的类倒立摆系统，具有结构小巧、控制高效和转弯灵活等特点已经成为移动机器人的研究热点。
对于自平衡车控制系统，已有不同的控制理论被提出，其中常用于实际应用的控制算法有常规PID控制、自适应控制、模糊控制等。
采用串级PID控制系统配合互补滤波算法姿态解算，通过实时精确地控制无刷直流电机，以角速度环为最内环，角度环与速度环为外环实现了闭环控制。
在实践赛道中表现出具有良好的动态特性，反应迅速。
1系统整体设计本文要求能识别赛道方向信息，自主控制姿态，通过两轮驱动以直立姿态行驶在铺有电磁线的赛道上，并且同时在微控制器上采集到的各个传感器信息无线传输到PC上位机。
系统设计整体架构如图1，微处理器选用飞思卡尔的MK6ODN512ZVLQ1O为控制中心，通过外接电磁传感器、MPU6050三轴姿态传感器、测速512线编码器来获取当前车体的方向、姿态、速度信息。
通过微处理器运算后输出PWM控制信号给驱动模块驱动电机运转，同时通过NRF24L01無线传输模块发送信息到上位机进行监视。
2 两轮自平衡车硬件系统设计自平衡车的硬件系统分为电源电路、运放模块、传感器电路模块、控制系统电路模块、滤波电路模块、电机驱动电路模块等。
两轮自平衡小车论文
2013年全国大学生电子设计竞赛两轮自平衡小车设计作者：杨魏，黄敏杰，夏俊逸2015.7.17摘要本文采用自制的两轮简易小车作为试验平台，以MEMS传感MPU6050为传感器的姿态感知系统，通过离散卡尔曼滤波器对两种传感器的数据进行滤波融合，选用32位单片机STM32F103RB为控制核心处理器，完成对数据的采集处理和车身控制，采用PID控制算法实现小车两轮自平衡。
用蓝牙控制前后运动。
实验结果验证了该系统的性能满足设计要求。
关键词：两轮自平衡；姿态感知；STM32F103RB；卡尔曼滤波；PID控制。
目录1系统方案 (1)1.1 姿态检测模块的论证与选择 (1)1.2 电机驱动模块的论证与选择 (1)2 系统硬件设计 (1)2.1 STM32F103RB 单片机系统 (2)2.1.1 STM32F103RB 单片机介绍 (2)2.1.2单片机最小系统设计 (3)2.1.3 电源管理模块设计 (4)2.2 姿态检测模块MPU-6050 (5)2.2.1 MPU-6050简介 (5)2.2.3数字运动处理器（DMP） (6)2.3速度检测模块设计 (7)2.3.1编码器介绍 (7)2.3.2 编码器电路设计 (8)2.4 电机驱动模块 (8)2.4.1 L298N简介 (8)2.4.2 L298N特点 (9)3理论分析与计算 (9)3.1 两轮平衡小车数学模型 (9)3.2 PID控制器设计 (10)3.2.1 PID控制器原理 (10)3.2.2 PID控制器设计 (11)3.2.3 PID程序 (12)3.3 基于卡尔曼滤波的数据融合 (13)4 系统软件设计 (15)4.1 系统软件设计框架 (15)4.2 资源模块初始化 (15)4.3 两轮小车姿态信息检测 (16)5测试方案与测试结果 (16)5.1测试方案 (16)5.1.1硬件连接检测 (16)5.1.2小车功能检测 (16)5.2 测试分析与结论 (16)1系统方案本系统主要由姿态检测模块、电机驱动模块、蓝牙模块、红外对管模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
前后两轮封闭式车系新型主动平衡系统设计原理与控制研究
中紧固组合为一个整体，并且在密封位置涂抹密封胶，将
而由于机械式陀螺仪要求机械加工精度高，装配工艺 此密闭空间抽真空。
复杂等缺点。机械式陀螺仪仅用在五六十年代的大型轮船
新型主动平衡系统采用多个限定一个自由度的旋转
上，平衡系统固定在船身上，根据外来力矩调节旋进方向， 陀螺仪，通过调节陀螺仪本身转动惯量的方法来控制力矩
平面二自由度的执行机构和一个伺服电机，其主要思想最
2 新型主动平衡系统结构与原理
通过控制系统来实现对机构动力性能的主动调节，它具有
2.1 结构工作原理 机械式陀螺仪如图 1 所示，主要
不改变待平衡机构结构的情况下方便装卸和不影响待平衡 由转盘 11 和旋转轴 12 组成，二者垂直布置。这种陀螺仪
机构运动特性的条件下达到主动平衡作用的特性。
以此来减少波浪对船体震动的影响，从而起到减小颠簸的 的装置和系统，其原理为重型旋转质量，转动惯量存储为
作用。并且由于机械式陀螺仪的定轴性，以及抗干扰能力 远远优于电子陀螺仪，飞机上面通常采用一到两个机械式 陀 螺 仪 备 用，当 电 子 陀 螺 仪 受 到 干 扰 时 ，可 通 过 机 械 式 陀 螺仪来导航。因此，随着机械加工精度和机加工艺以及直 流无刷电机的长速发展，研究一种新型的机械陀螺仪，使 其作为主动平衡系统则主体，突出在稳定平衡方面的作用 和效果，将具有重大意义。
要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要
基金项目院 湖北省教育厅科学研究计划指导性项目 （编号：
人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实 施例，都属于本理论保护的范围。
B2017型主动平衡系统，包括上
·2·
图1
图2
图3
内燃机与配件
第一螺钉 24 与外转子电机 28 外壳上的转子盘 23 相连。外 转子电机 28 拖动转子盘 23 高速旋转储存能量，并根据旋 进电机 210 的旋进角速度来调节平衡系统的夹角。下壳体 27 通过第二螺钉 29 与外转子电机 28 紧固配合，此时下壳 体 27 的伸出轴分别和两端的含轴承的左轴承座 21、含轴 承的右轴承座 25 紧固定位，并通过螺钉固定在车架上。
双闭环串级控制算法自平衡两轮车研究
双闭环串级控制算法自平衡两轮车研究摘要：随着智能技术的快速发展，自平衡两轮车作为一种新型个人交通工具，受到了越来越多人的关注。
自平衡两轮车的平衡控制算法是保证其能够自主保持平衡的关键。
本文研究了一种双闭环串级控制算法，通过对车辆倾角和角速度的测量，通过前馈控制和PID控制实现了车辆的平衡控制。
通过实验证明，该控制算法具有较好的控制效果和稳定性。
1.引言自平衡两轮车作为一种新型的个人交通工具，具有体积小、便携、易操作等特点，在城市交通中具有很大的应用潜力。
然而，自平衡两轮车的平衡控制是一个复杂的问题，需要通过精确的控制算法来实现。
2.相关研究目前，关于自平衡两轮车的平衡控制算法研究已经取得了一定的进展。
例如，PID控制、模糊控制、神经网络控制等方法被用于实现车辆的平衡控制。
然而，单一的控制算法往往无法满足复杂的控制需求，因此需要采用更加高级的控制方法。
3.算法设计本文采用双闭环串级控制算法实现自平衡两轮车的平衡控制。
首先，通过传感器测量车辆的倾角和角速度，然后将其输入前馈控制器中进行处理。
前馈控制器根据车辆的倾角和角速度计算出所需的控制量，并将其输入到PID控制器中。
PID控制器根据传感器的测量值和前馈控制器的输出进行运算，最终控制车辆的电机来实现平衡控制。
4.实验结果与分析本文通过实验验证了双闭环串级控制算法的有效性。
实验中，将车辆置于不平衡状态下，并通过控制算法来实现平衡。
实验结果表明，车辆能够在短时间内实现平衡，并且能够有效地抵抗外部干扰。
同时，该控制算法具有较好的控制精度和稳定性。
5.结论本文研究了双闭环串级控制算法在自平衡两轮车中的应用。
通过该控制算法，可以实现车辆的自主平衡控制。
实验结果表明，该算法具有较好的控制效果和稳定性，可以为自平衡两轮车的设计和控制提供参考。
两轮自平衡电动车核心控制算法的选择
两轮自平衡电动车核心控制算法的选择周小仨【期刊名称】《办公自动化（综合版）》【年(卷),期】2013(000)004【摘要】两轮自平衡电动车采用的是倒立摆的控制思想，人类可以完美的手动控制倒立摆，利用身体的平衡技巧骑行自行车、电动车，不会摔倒，那么，我们能否模拟人类的控制平衡的方法来控制自然不稳定的两轮车达到自动平衡呢，答案是肯定的，我们设计一种控制器，采用模糊控制、PID算法、自适应技术三者相结合的核心控制算法，作用于执行结构就能达到预期的效果。
%The 2-wheeled of self-balancing electric vehicle is used the thought of inverted pendulum control, human being can be perfected the manual control of the inverted pendulum, and by using the skills of ride bikes for body's bal-ance the electric cars which will not fall down, so, we can simulate human balance control method to control the unstable nature of the 2-wheeled vehicle to achieve automatic balance, the answer is positive, we design a controller, fuzzy control, PID algorithm and adaptive technology, combined with the core of the control algorithm, and applied to perform structure, the desirable effect can be achieved.【总页数】2页(P56-57)【作者】周小仨【作者单位】黄冈职业技术学院黄冈 438002【正文语种】中文【中图分类】TP273;TM33【相关文献】1.基于四元数互补滤波和PID控制算法的两轮自平衡车系统设计 [J], 林伟捷;黄唯佳;蔡剑卿2.基于四元数互补滤波和PID控制算法的两轮自平衡车系统设计 [J], 林伟捷;黄唯佳;蔡剑卿3.两轮自平衡车的轨迹跟踪中T-S模糊方法的分数阶PID控制算法的研究 [J], 马燕妮4.两轮自平衡小车建模及LQR控制算法设计 [J], 龙周;汤健华;江励;黄辉;陈荣满5.基于滑膜干扰抑制的两轮小车自平衡控制算法 [J], 陈运胜;范运活因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于串级控制的自行车机器人平衡控制BalancecontrolofbicycleRobotbased
基于串级控制的自行车机器人平衡控制Balance control of bicycle Robot based on Cascade Control发布时间：2021-10-11T08:50:21.241Z 来源：《科学与技术》2021年第29卷第15期作者：朱炀爽[导读] 自行车机器人可以作为研究欠驱动非完整约束系统力学建模、非线性控制策略等问题的一个较高层次的实验平台。
朱炀爽大连理工大学港航与海洋工程学院辽宁省大连市 116024摘要：自行车机器人可以作为研究欠驱动非完整约束系统力学建模、非线性控制策略等问题的一个较高层次的实验平台。
本文结合两轮自平衡车平衡控制思路，提出了基于串级控制的自行车机器人平衡控制，经过试验比较，串级控制可以取得较好的静态性能和动态指标，较单级PID具有更好的控制效果。
关键词：自行车机器人平衡控制串级PIDAbstract：Bicycle robot can be used as a high level experimental platform to study mechanical modeling and nonlinear control strategy of underactuated nonholonomic constrained systems. In this paper, combined with the balance control idea of two-wheel self-balancing vehicle, a bicycle robot balance control based on cascade control is proposed. Through the comparison of tests, cascade control can achieve better static performance and dynamic indicators, and has better control effect than single-stage PID.0引言自行车机器人同倒立摆、风力摆等都属于较为复杂的平衡控制装置，也是比较经典的欠驱动控制系统。
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双闭环串级控制算法自平衡两轮车研究
摘要
为了解决两轮自平衡两轮车的问题，本文提出了双级串联
控制算法。
该方法由于系统结构的特殊性，减少了平衡控制、速度控制和方向控制的耦合性。
本文成功地解决了传感器
卡尔曼滤波算法融合陀螺和加速度计，并加入模糊
改进的控制算法，提高了转向系统的灵活性，从而大大提高了精度
和系统的响应率。
关键词
串级控制，卡尔曼滤波，模糊控制，模糊控制，模糊控制
1. 概述
国内外自平衡两轮车的几种控制方案。
参考
方案三PID控制器的线性组合是由飞思卡尔智能车竞赛委员会提出。
由瑞士联邦技术大学开发的两轮机器人乔设计
基于最优控制和状态反馈控制[ 2 ]。
人工神经网络已被用来构建
两轮自平衡机器人的自适应控制器[ 3 ]。
在第一个方案的基础上，本文
提出了一种新的双串级控制方法。
控制系统本身的结构大大降低
平衡控制、速度控制和方向控制之间的相互耦合，使系统的参数
系统易于调整，与状态反馈控制和先进的智能控制相比，具有更高的
控制，它不需要非常精确的系统模型，减少了控制方法的复杂性。
2. 模型分析
自平衡两轮车是一种典型的欠驱动系统，两轮车有四度的
自由，只有左，右车轮可以驾驶。
运动控制任务可分为
以下三个基本控制任务：平衡控制、速度控制和方向控制。
姿势平衡模型类似于一级倒立摆。
立车模型可以看作是一个简单的摆，倒在车轮，车轮驱动可以产生一个相对
加速度，倒立摆的机械模型如图1所示。
在非惯性系，它强调附加惯性力，力的加速度成比例的
车轮，但它的方向是相反的，所以恢复力是：
由于θ小，可以线性化。
它还需要添加一个额外的阻尼力，使
钟摆稳定，从而可以把方程变成：
车轮的加速度是：
θ是倒立摆的倾角，θ是倾斜角速度，K1和K2的比
系数。
调整模型的控制周期短，通常是几毫秒，它远小于常数
机器时间。
因此，电机基本上是在加速阶段运行。
它是可能的控制
模型保持直立，如果我们可以控制车轮的加速度，如方程3所示。
3. 双闭环串级调速
双串级控制集平衡控制为内环的速度控制，其输出是控制电压，
同时，它将转向角速度控制作为方向控制的内环，它的输出
是差分电压，如图2所示。
在速度平衡串级控制系统中的姿态
大扰动角被包含在小循环中，极大地提高了扰动的能力
系统拒绝。
在方向和角速度串级控制系统中，非线性
控制对象包含在小循环中，因此控制系统具有良好的动态性能[ 6 ]，这是一个很好的动态性能控制系统
使转向系统更快，更灵活。
3.1 速度平衡串级控制
对于直立的车辆，速度是成正比的向前倾斜[ 7 ]。
因此，我们控制的态度
角度的汽车来控制速度。
外环的输入是平均速度和平均速度的偏差
预期的两个轮子的速度，和输出是一个角度的大小。
而内部循环的输入是
陀螺仪的速度和姿态角反馈的倾角与速度的偏差，输出是
PWM信号。
为了减少内和外循环的级联干扰，通常输出的外
循环是光滑的，内循环应迅速响应，所以速度环采用了皮控制器，执行
周期为10毫秒，而平衡回路采用了局部放电控制器，执行周期为2毫秒。
3.2 方向角速度串级控制
方向控制主要是通过差速系统。
在汽车的设计中，单
循环控制很难实现一个流畅和快速的转弯，所以本文介绍了角速度闭环作为小循环的方向控制。
传统的自适应控制不能适应不同的环境，
因此，它是需要添加的模糊控制器。
模糊自整定的模糊自整定是找出模糊的
误差变化率与误差的3个参数之间的关系。
根据模糊控制原理，
3个参数在线修改，以满足不同的控制参数的不同要求，作为不同的错误
和误差变化率，使被控对象具有良好的动、静态性能[ 8 ]。
介绍
双闭环模糊控制的伺服结构，使汽车快速响应，并有
良好的自我适应能力。
3.3 没有IMU传感器的角速度反馈
传统的转向角速度测量方法是添加一个反映偏航偏差的陀螺，
在使用现有的速度编码器的两个轮子的反馈速度信号也可以推断的大小
转弯速度，原理如图3所示。
假设汽车有一个恒定的角速度，转弯半径是L，汽车的车轮踏面是二维的，
左、右车轮速度分别为vleft和vright，得出：
可以得出结论，转向角速度ω是左边和右边的微分成正
车轮，当采样间隔很短，两个车轮的速度可以反映实时转向角
速度。
该方法不仅避免了陀螺的漂移，而且可以简化硬件的设计
不降低精度。
3.4 陀螺仪和加速度计的融合滤波器
在这篇文章中，采用卡尔曼滤波方法融合的信号，从加速度计和陀螺仪，其中可以解决噪声干扰的问题，并提出最优估计值[ 9 ]。
它有四个步骤：首先，预测先验估计值；第二，预测先验估计协方差矩阵；第三，校正先验
估计值；最后，修正先验估计协方差矩阵。
作为一个递归滤波器，卡尔曼滤波只需要通过以前和当前观察到的估计状态来计算当前状态估计值
量。
与批量处理的滤波技术相比，卡尔曼滤波不需要历史
估计和观测数据，不仅可以节省内存，而且可以提供高精度的态度
角。
4. 结论
本文提出了一种双串级控制器的控制算法。
一种自平衡两轮车
由该算法设计的，可以在每秒2.2米的速度驱动，而且它可以适应坡道，
急转弯、连续转弯等复杂路况。
它可以大大减少相互耦合
在平衡控制、速度控制和方向控制中。
它是一种简单实用的控制方法
运输。
感谢
这项工作是由大学生的创新和创业培训计划的财政支持
西南民族大学201510656051号。