双轮自平衡小车
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。
两轮平衡小车实习报告
两轮平衡小车实习报告一、前言随着科技的不断发展，机器人技术逐渐应用于各个领域，其中两轮平衡小车作为一种具有自平衡能力的新型轮式车，引起了广泛的关注。
本次实习报告主要介绍了两轮平衡小车的原理、设计及实际操作过程。
二、两轮平衡小车原理两轮平衡小车主要由控制系统、传感器、执行器等部分组成。
其工作原理是通过传感器实时检测车体姿态，将车体姿态信息传输给控制系统，控制系统根据车体姿态信息计算出相应的控制策略，并通过执行器实现对车轮的动态调整，使小车保持平衡。
三、两轮平衡小车设计1.硬件设计本次设计的两轮平衡小车采用STM32单片机作为控制核心，配备有MPU6050传感器用于姿态检测，使用TB6612FNG电机驱动模块实现车轮的控制。
此外，还使用了OLED显示屏用于显示实时数据。
2.软件设计在软件设计方面，主要采用了PID控制算法来实现车体的平衡控制。
首先，对MPU6050传感器采集到的数据进行处理，计算出车体的倾角；然后，根据倾角信息计算出控制电压，通过TB6612FNG电机驱动模块对车轮进行控制，以保持车体的平衡。
四、两轮平衡小车实际操作过程1.调试过程在实际操作过程中，首先需要对小车进行调试。
通过调整小车的重心位置，使其能够稳定站立。
调试过程中，发现小车在高速运动时容易失去平衡，通过减小驱动电压，提高小车的稳定性。
2.平衡控制实现在平衡控制实现方面，通过实时检测车体姿态，并根据姿态信息计算出控制电压，实现对车轮的控制。
在实际操作中，发现小车在平衡状态下运行平稳，能够实现前进、后退、转向等基本功能。
3.避障功能实现为了提高小车的实用性，我们为其添加了避障功能。
通过使用HC-SR04超声波传感器，实时检测小车前方的障碍物距离，并在检测到障碍物时，自动调整小车方向，实现避障。
五、总结通过本次实习，我们对两轮平衡小车的原理、设计及实际操作过程有了深入的了解。
两轮平衡小车作为一种具有自平衡能力的新型轮式车，具有占地面积小、转弯灵活等优点，其在未来的应用前景广阔。
两轮自平衡小车实习日记
两轮自平衡小车实习日记暑假到了，外婆给我买了一辆我梦寐以求的“小米”电动平衡车。
我这辆两轮站立式平衡车，全身呈黑色。
两个又大又酷的越野轮支撑平衡车的重心及依靠车身的电机进行行进，两个脚踏板之间装有一个操控杆，利用小腿控制车体的运动，改变平衡车左右的方向，彻底解放双手。
特别是在脚踏板的后面，还有一个能发出五颜六色光芒的彩色指示灯，炫酷极了。
虽然，我已经拥有了一辆平衡车，但我却并不能熟练的操控它。
于是，我选了一个较为凉爽的天气，来到小区的一块空地上，按照说明书上的要点，带着紧张的心情，小心翼翼地、缓慢地先将一只脚踏上踏板，只听“滴”的一声，我的心咯噔一下，更加紧张了。
慌乱中，下意识的把另一只早已颤抖的脚迅速地跳上踏板，双手也开始不由自主的左右挥舞。
经过一番前倾后仰的折腾努力，平衡车终于“平衡”了。
可是，刚前进没几步，谁知平衡车又突然往前倾斜，我吓出一身冷汗，赶紧重新调整身体的重心，才使平衡车恢复正常行驶，缓慢地向前移动。
一开始，由于操作不太熟练，害怕摔倒。
我总是借助双手，小心翼翼地扶着周围的物体，缓慢移动，不能悠然自如的骑行。
心想，这可不行。
于是，深吸了一口气，放松心情，大着胆子，控制好重心，慢慢地尝试放开双手，结果，还真成了。
经过几十分钟的勤学苦练，我骑的越来越熟练，也掌握了平衡车的骑行技巧，自信性更足了。
基本上可以自如地驾驭平衡车了，骑行的速度也越来越快了。
但是，没有想到，在上坡时遇到了难题。
与在平路上骑行还是有差异性的，发现并不能很好地掌控平衡车的骑行速度和重心。
因此，我又有针对性地专门练习上坡。
经过，如此这般的反复练习，仔细琢磨，我终于能轻松自如的上下坡了。
学骑平衡车这件事告诉我，做任何一件事都不是一帆风顺的'，前进的路上也会有坎坷。
但，只要我们经过刻苦努力，成功终究会向你招手的。
两轮平衡车工作原理
两轮平衡车工作原理一、引言两轮平衡车是一种基于倒立摆原理的个人交通工具，它具有自平衡、环保、便携等特点，因此在现代城市中越来越受到人们的关注和喜爱。
本文将从机械结构、传感器、控制系统等方面介绍两轮平衡车的工作原理。
二、机械结构两轮平衡车通常由车身、车轮、电机、减速器、转向机构等组成。
其中，车身是整个车辆的主体，用于承载其他组件。
车轮是车辆的行驶部件，通过电机和减速器驱动，使车辆前进或后退。
电机是发动机的替代品，它通过向车轮提供动力来推动车辆。
减速器可以将电机的高速旋转转换为车轮的低速旋转，以提供更大的扭矩。
转向机构用于控制车轮的转向，使车辆能够转弯或改变方向。
三、传感器两轮平衡车通常配备了多种传感器，用于感知车辆的状态和环境信息。
其中最重要的传感器是陀螺仪和加速度计。
陀螺仪用于测量车辆的倾斜角度，从而得知车身是否处于平衡状态。
加速度计用于测量车辆的加速度，从而判断车辆的加速或减速状态。
通过陀螺仪和加速度计的数据，控制系统可以实时监测车辆的倾斜状态，从而采取相应的控制策略。
四、控制系统控制系统是两轮平衡车的核心，它负责根据传感器的数据来控制电机的转速，以实现车辆的平衡和控制。
控制系统通常由微处理器、控制算法和电机驱动器组成。
微处理器是控制系统的大脑，负责处理传感器数据和执行控制算法。
控制算法是控制系统的关键部分，通过对传感器数据的分析和处理，判断车辆的状态，并采取相应的控制策略。
电机驱动器负责将微处理器输出的控制信号转换为电机的控制信号，控制电机的转速和方向。
五、工作原理两轮平衡车的工作原理可以简单概括为：通过陀螺仪和加速度计感知车辆的状态，将传感器数据传输给控制系统；控制系统根据传感器数据判断车辆的倾斜状态，并通过控制算法计算出合适的电机控制信号；电机驱动器将控制信号转换为电机的控制信号，控制电机的转速和方向；车轮根据电机的驱动旋转，使车辆保持平衡或实现前进、后退和转弯。
六、结论通过上述的介绍，我们可以了解到两轮平衡车的工作原理是基于倒立摆原理的。
毕业设计(论文)-两轮自平衡小车的设计
Key Words: Two-Wheel Self-Balance; Gyroscope; Gesture detection; Kalman filter; Data fusion
II
目
录
1.绪论·························································································································· 1
2.系统原理分析·········································································································· 5
2.1 控制系统要求分析··············································································································· 5 2.2 平衡控制原理分析··············································································································· 5 2.3 自平衡小车数学模型··········································································································· 6 2.3.1 两轮自平衡小车受力分析···························································································· 6 2.3.2 自平衡小车运动微分方程···························································································· 9 2.4 PID 控制器设计··················································································································10 2.4.1 PID 控制器原理···········································································································10 2.4.2 PID 控制器设计···········································································································11 2.5 姿态检测系统····················································································································· 12 2.5.1 陀螺仪·························································································································· 12 2.5.2 加速度计······················································································································ 13 2.5.3 基于卡尔曼滤波的数据融合······················································································ 14 2.6 本章小结····························································································································· 16
双轮平衡车发展历程
双轮平衡车发展历程双轮平衡车，也被称为电动平衡车或自平衡电动滑板车，是一种由两个轮子组成的个人交通工具。
它通过借助内置的电机和陀螺仪等传感器，实现了自动平衡和控制。
这种车辆的发展历程可以追溯到20世纪80年代末。
最早的双轮平衡车是由日本电子制造商Segway推出的。
Segway于2001年发布了他们的第一款平衡车产品，通过重心的转移实现了前进、后退和转弯等基本操作。
虽然这款车在技术上取得了突破，但由于高昂的价格和独特的外观，未能在市场上取得大规模的成功。
随着时间的推移，双轮平衡车的技术逐渐成熟，价格也逐渐降低。
此后，各家制造商纷纷推出了自己的平衡车产品。
其中，国内企业九号科技以其出色的产品质量和领先的技术水平在市场上脱颖而出。
他们于2014年推出的平衡车产品一经问世，就迅速风靡全球。
双轮平衡车的应用范围也逐渐扩大。
最初，它被广泛应用于公共交通领域中的短途代步，例如在大型展览馆、机场和商业购物区域等。
随着用户对便携出行工具的需求增长，一些企业开始将双轮平衡车推向个人消费市场。
这些产品通常拥有更小巧轻便的设计，适用于城市通勤和个人休闲娱乐。
近年来，随着新能源技术的发展和环保意识的增强，双轮平衡车也逐渐向电动化方向发展。
越来越多的平衡车产品使用环保的锂电池作为动力来源，从而减少了对传统燃油的依赖。
同时，一些企业还开始尝试将双轮平衡车与其他出行工具进行结合，例如与电动自行车、滑板车和智能手机等连接。
未来，双轮平衡车有望在智能交通领域发挥更重要的作用。
随着人工智能和自动驾驶等技术的进一步发展，双轮平衡车可能会与其他交通工具形成无缝连接，为人们提供更加方便、高效和环保的出行方式。
同时，随着用户需求的变化，平衡车的设计和功能也将不断创新，以满足不同人群的需求和喜好。
双轮自平衡小车的动力学建模与分析
参考 文献
力 争 优 化获 取 来 自于各 级 交 通管 理 部 门 的积 极 支持 ， 针对 高速 公 路 通 信 网络 对 应 的 市场 化 运行 可 能 性展 开 深 化研 究 ； 基 于 我 国整 体 利益 的角 度 出发 ， 杂牌 高 速 公路 建 设 进程 当 中所 敷设 的 通 信 管 道 隶属 于 社 会基 础 设 施 ， 是 我 国重 要 的 战 略性 资 源 ， 在 处 理 我 国通信 战 备 、 紧急 事 件 、安全 、灾 害 的 时候 占据着 重 要 的应 用 地位 ， 使得 我 国国土 能够 更为 合 理 地 实施 开 发 ， 可 将 该 项 工作 实施 作 为一 项 国家政 策提 出 ， 结合 实 际 的市场 经济 规律 ， 根 据 实 际现 状 ， 放 眼未 来 ， 构 建 我 国安 全 稳 定 的通 信 走 廊 ； 努 力 强 化 我 国高 速 公路 通 信 网络 技 术 力量 ，旨在 充 分 保 障 高速 公 路 联 网运 行 具 备 有较 高 的 稳 定性 ， 结 合 现 今 高速 公 路 通信 联 网 建 设 发展 进 程状 况 ， 针对 通 信 专业 人 员 培 训及 配 置 问题 进 行深 化 研 究 并给 予 相应 的解 决方 法 ；紧跟 时 代 潮流 ， 充 分借 鉴 来 自 于 国外 先进 的技术 和 实践 经验 ， 强 化相 互 问的 技术 交流 。
将 联 网监 控 以及政 务 信 息 、省 内联 网 收费 、应 急管 理 等类 型 的工 作 需 求作 为 关 键 的核 心 内 容 ， 进而 推 动 高速 通 信 联 网 建 设， 为 充 分满 足 全 国 组 网需 求 则 需采 用 适合 的光 纤 芯线 ； 将 高
速 公路 通 信作 为 主 要 的通 信 平 台 ， 积 极推 动 高 速 公路 信 息化 建 设进程 ， 使 其 能够趋 向于信 息共享 整 合 、 综 合化 分析 、 挖 掘数 据 、 服 务 采 集 动态 信 息 等 方面 进 行 良性 发 展 ； 跟 踪 调查 我 国 高速 公 路 涉 及使 用 的通 信 资源 ， 将 工作 重 点放 在光 缆线 路 及通 信管 道 、 传 输 系统 级技 术体 制 等方面 ； 深入 调查 研 究高 速公 路联 网需 求 ，
基于STM32单片机红外遥控两轮自平衡小车的设计
GND1：5V电源地；
EN：5V使能引脚(5V工作，0V关闭，禁止悬空)；
PWM1：控制电机1的转速；
DR1：控制电机1的转向；
PWM2：控制电机2的转速；
DR2：控制电机2的转向；
系统的整体设计框图如图2-2所示:
图2-2系统整体框图
3
3.1
STM32F1系列屈于中低端的32位ARM微控制器，其内核是Cortex-M3㈡。
STM32F103是一款常用的中等容量增强型、低功耗、32位基于ARM核心的带64K或128K字节闪存的微控制器，拥有USB、CAN、7个定时器（3个16位定时器、1个16位带死区控制和紧急刹车、2个看门狗定时器、系统时间定时器：24位自减型计数器）、2个ADC、9个通信接口（2个I2C接口、3个USART接口、2个SPI接口、CAN接 口USB 2.0全速接口）等众多资源。这款芯片运行时的最高频率可达到72MHz,其供 电电压为2.0V至3.6V,拥有64K或128K字节的闪存程序存储器，带有4个片选的静 态存储器控制器15o该芯片还具有看门狗定时器，系统时间定时器，低功耗空闲和CRC计算单元，使得STM32F103芯片在众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解 决方案。
2.3
程序是系统稳定运行的大脑神经，如果一个单片机控制系统没有可以用來控制的 程序，那么再好的电路也是没有实际意义的。
程序的编写过程中需要注意以下儿点：
1、程序的编写一定要按照预先搭建好的电路进行，操作一定要针对与被操作的对 象。
2、程序的编写应该做到以尽量少的编程语言去实现更复杂的控制内容，只有这样, 编写的程序才能够简洁完整。
两轮平衡小车说明书
电气电子工程学院自主创新作品两轮平衡小车摘要两轮自平衡小车具有体积小、结构简单、运动灵活的特点，适用于狭小和危险的工作空间，在安防和军事上有广泛的应用前景。
两轮自平衡小车是一种两轮左右平衡布置的，像传统倒立摆一样，本身是一种自然不稳定体，其动力学方程具有多变量、非线性、强耦合、时变、参数不确定性等特性，需要施加强有力的控制手段才能使其保持平衡。
本作品采用STM32单片机作为主控制器，用一个陀螺仪传感器来检测车的状态，通过dvr8800控制小车两个电机，来使小车保持平衡状态，通过2.4G模块无线通讯进行遥控来控制小车运行状态。
关键词：智能小车；单片机；陀螺仪。
目录一．前言 (4)一．两轮平衡车的平衡原理 (4)2.1 平衡车的机械结构..........................................................................错误!未定义书签。
2.2 两轮车倾倒原因的受力分析 (4)2.3 平衡的方法 (5)三．系统方案分析与选择论证 (5)3.1 系统方案设计 (5)3.1.1 主控芯片方案 (5)3.1.2 姿态检测传感器方案 (6)3.1.3 电机选择方案 (6)3.2 系统最终方案 (7)四．主要芯片介绍和系统模块硬件设计 (7)4.1.STM32单片机简介（stm32rbt6） (7)4.2.陀螺仪传感器 (8)4.3．TB6612 (8)4.4．编码器 (9)4.5. 主控电路 (9)4.6 电机驱动电路 (10)五．系统软件设计 (11)5.1 PID概述 (11)5.2 数字PID算法 (12)5.3 PID控制器设计 (13)六．硬件电路 (14)七．制作困难 (15)八．结论 (16)九．参考文献 (16)一．前言应用意义。
自平衡车巧妙地利用地心引力使其自身保持平衡，并使得重力本身成为运动动能的提供者，载重越大，行驶动能也就越大，具有环保的特点(胡春亮等，2007)。
平衡小车的项目背景
平衡小车的项目背景
近年来，两轮自平衡小车的研究开始在美国、日本、瑞士等国得到迅速的发展。
建立了多个实验原机型，提出来众多解决平衡控制的方案，并对原机型的自动平衡性能与运动特性进行了验证。
通过对两轮自平衡系统的改造，可快速方便的应用到众多环境中去，如承载、运输、代步等。
这其中蕴藏着巨大的商机，相应有些国外公司现在已经推出了商业化产品，并且已经投放到了市场。
意义：两轮自平衡小车两轮共轴、独立驱动、车身重中心位于车轮轴上方，通过运动保持平衡，可以直立运动，因为特别的结构，它对于地形的变化有很强的适应能力，有着良好的运动性能，能够在比较复杂的环境里面的工作，和传统的轮式移动机器人相比较，有更加灵活易变的移动轨迹很好地弥补了传统多轮布局；具有占地面积小的优点，车的结构上有很大的简化，可以把车做的更轻更小；着较小的驱动功率,驱动功率较小，为电池长时间供电提供了可能，为环保轻型车提供了一种新的思路。
鉴于这些点，两轮自平衡小车有着相当广泛的应用前景。
自平衡小车数学模型
自平衡小车数学模型2.3.1两轮自平衡小车受力分析为了准确控制车轮转动，保持小车始终稳定的直立平衡，需要对自平衡车进行运动学分析并建立其数学模型，从而更好的设计控制系统。
为了更加直观的分析系统受力情况，下面将直立小车与单摆模型进行对比说明小车的受力情况。
重力场中使用细线悬挂的重物经抽象化便形成理想化的单摆模型，两轮自平衡车可以看作一级倒立摆模型进行分析，如图2-3所示。
单摆模型一级倒立摆模型图2-3 小车抽象为一级倒立摆模型对普通单摆进行受力分析如图2-4所示。
mg=图2-4 单摆受力分析当物体离开平衡位置后便会受到重力与线的合作用力，驱使物体回复至平衡位置。
这个力称为回复力，其大小为：=F m gθ-s in（式2-1）在偏移角很小情况下，回复力与偏移角之间的大小成正比，方向相反。
在此回复力的作用下，单摆进行周期运动。
由于空气阻力的存在，单摆最终会停止在平衡位置。
空气阻尼力与单摆的速度成正比，方向相反。
阻尼力越大，单摆会越快停止在平衡位置。
可得出，单摆保持平衡的条件有两点：(1) 受到与偏移相反的回复力作用；(2) 受到与运动速度相反的阻尼力作用。
如果没有阻尼力，单摆会在平衡位置左右晃动而无法停止。
如果阻尼力过小（欠阻尼），单摆会在平衡位置震荡。
阻尼力过大（过阻尼）则导致单摆恢复平衡时间加长。
因而存在一个临界阻尼系数，使单摆稳定在平衡位置所需时间最短。
对静止的一级倒立摆模型进行受力分析（不考虑车轮与地面的滚动摩擦力），如图2-5所示。
θsin图2-5一级倒立摆模型受力分析图由一级倒立摆模型静止时的受力分析可知，其回复力大小为：=F m gθsin（式2-2）静止的倒立摆之所以不能像单摆一样可以稳定在平衡位置，是因为在偏离平衡位置时所受回复力与其偏移方向相同，而不是相反，因此不能回复至平衡位置，而是加速偏离垂直位置直至倾倒。
经分析可知，要控制倒立摆使其能够与单摆一样能够回复至平衡位置并保持稳定有两种方案。
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。
两轮自平衡小车的PID控制
两轮自平衡小车的PID控制【摘要】两轮自平衡小车的核心问题是平衡控制问题和运动控制问题。
两轮自平衡小车需要始终保持车身直立，同时还需要完成各种机动动作，如行进、旋转、左转弯、右转弯等。
PID控制算法是应用最为普遍的一种算法，其特点是构造简单，应用有效及具备了许多成熟的稳定性分析的方法，有很高的可靠性。
针对两轮自平衡小车的非线性和不稳定性，利用非线性PD控制算法和PID差动结构可以实现小车的平衡控制和运动控制。
【关键词】两轮自平衡小车；PID控制；平衡控制；运动控制；控制算法1.引言两轮自平衡小车是一种典型的欠驱动系统（underactuated system）、非完整系统（nonholonomic system）。
其核心问题是对小车的平衡控制和运动控制，其中两轮自平衡小车的姿态平衡控制类似于倒立摆的平衡问题，所不同的是两轮自平衡小车可以在二维甚至三维空间内运动。
两轮自平衡小车不仅需要始终保持车身的直立，还需要在保持直立的同时在二维甚至三维空间内运动。
两轮自平衡小车有4个自由度：2个平面支撑运动自由度，2个姿态角运动自由度。
然而其中只有2个平面支撑运动自由度，即左轮和右轮可以驱动。
对于两轮自平衡小车，姿态平衡控制可以通过改变左轮和右轮的运动速度和运动方向来控制的。
当小车的车身发生倾斜时，左右电机产生相应的力矩来调节左右两轮运动速度和运动方向，使小车恢复平衡直立的状态。
小车的运动轨迹控制则是通过调整行进速度和行进方向来控制的。
两轮自平衡小车的行进速度是左轮线速度和右轮线速度的平均值，也是通过左右电机产生的力矩来调节。
行进方向则需要左轮和右轮的差动来调节，即对左轮和右轮施加不同的作用力矩，以产生不同的运动速度，从而实现两轮自平衡小车航向的控制。
PID控制算法是一种应用广泛、使用简单有效的经典的自动控制算法，两轮自平衡小车的平衡控制和运动控制都可以采用PID控制策略。
在1997年，日本的Hiraoka和Noritsugu研究出一种采用PID算法控制速度和位置的两轮平行小车[1]。
两轮自平衡小车毕业设计
两轮自平衡小车毕业设计04161120(总24页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除两轮自平衡小车的设计摘要最近这几年来，自平衡电动车的研发与商用获得了快速发展。
自平衡车具有体积小，运动十分灵活，便利，节能等特点。
本文提出了一种双轮自平衡小车的设计方案，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，同时采用了加速度传感器来间接测量车体旋转角度。
采用意法半导体ST 公司的低功耗控制器芯片stm32作为主控，采集上述传感器信息进行滤波，分析等操作后进而控制马达的驱动，从而达到反馈调节的闭环，实现小车的自动平衡。
系统设计，调试完成后，能够实现各个功能部件之间协调工作，在适度的干扰情形下仍然能够保持平衡。
同时，也可以使用手机上的APP通过蓝牙与小车通信控制小车的前进和后退以及转弯。
关键词：自平衡小车陀螺仪传感器滤波 APPDesign of Two-Wheel Self-Balance VehicleAbstractIn the last few years, with the development of commercial self balancing electric vehicle was developed rapidly. Self balancing vehicle has the advantages of small volume, the movement is very flexible, convenient, energy saving etc.. This paper presents a two wheeled self balancing robot design, mechanical structure adopts double motor drive; controlled mainly by the feedback regulation, in order to make the balance of the body better, with the PID regulation; hardware using gyroscope GY521 mpu-6050 to collect the rotation angle of the car body and the rotation angle acceleration. At the same time, acceleration sensor to measure indirectly body rotation angle. St, the low power consumption controller STM32 chip used as the main control, collecting the sensor information filtering, analysis backward and control motor drive, so as to achieve close loop feedback regulation, the realization of the car automatic balance. System design, debugging is completed, the coordination between the various functional components can be achieved, in the case of moderate interference can still maintain a balance. At the same time, you can also use the APP on the mobile phone with the car to control the car's forward and backward and turning.Key Words: Self balancing car gyroscope sensor filter APP目录1.绪论 0研究背景与意义 0自平衡小车的设计要点 0整体构思 0姿态检测系统 0控制算法 (1)本文主要研究目标与内容 (1)论文章节安排............................................... 错误!未定义书签。
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STM32F103RCT6两轮自平衡小车设计
设计思路
设计思路
两轮自平衡小车的设计主要包括底盘、动力系统、平衡系统等几个关键部分。 底盘设计：小车的底盘应具有足够的刚性和稳定性，以支撑上部结构并保持 平衡。我们选择铝合金材料制作底盘，并使用精密加工技术确保其精度和稳定性。
设计思路
动力系统设计：动力系统包括电机、电调、电池等组件，为小车提供运动所 需的能量。我们采用无刷电机作为驱动源，通过电子调速器（电调）控制电机转 速，实现小车的运动控制。
参考内容
引言
引言
智能小车作为移动机器人的一种形式，具有广泛的应用前景和研究价值。随 着嵌入式系统、传感器和技术的不断发展，智能小车的性能和功能也不断提升。 本次演示旨在基于STM32F103单片机设计一款智能小车，并实现对其速度和方向 的控制，提高小车的自主性和适应性。
关键词
关键词
智能小车、STM32F103单片机、传感器、控制算法、自主性、适应性
为了验证小车的性能和稳定性，我们进行了多项测试，包括平衡性测试、稳 定性测试等。
平衡性测试：我们通过在光滑的地面上和小型障碍物上测试小车的平衡性能， 发现小车能够在不同情况下保持稳定平衡状态。
测试与结果
稳定性测试：我们对小车进行了不同速度和不同地形条件的稳定性测试，以 检验小车在不同情况下的稳定性能。测试结果显示，小车在各种条件下均具有较 好的稳定性。
实现方法
硬件制作：硬件制作包括底盘和车轮的制作、电路板的焊接和传感器元件的 安装等。我们利用铝合金材料制作底盘，精确加工车轮，并在电路板上焊接了电 源管理芯片、电机驱动芯片和传感器接口电路。在制作过程中，我们注意保证各 部分的装配精度和连接可靠性，以确保小车的稳定性和耐用性。
测试与结果
测试与结果
细节描述
自平衡双轮车
双轮自平衡小车由机械系统和电气系统组成。 机械系统如图所示：
速度传感器 Arduino主板 速度传感器 电机 电源 车轮
其各部分关系如图所示： 控制 提供电源 驱动
电气系统是实现控制的核心。 其构成如图：
控制端通过远程蓝牙通信模 块和电位器调节PID参数，对小 电位器 车的运动状况进行实时调节， 显示屏上可显示出小车的速度， Meg2 角加速度以及PID参数等数据！ 56扩 当然，通过按钮也能够控制 展板 小车的运动方向！
主机蓝牙 六轴 陀螺 仪
Nokia5110 显示屏
按键
从机 蓝牙 模块
Arduino
方向控制 PID控制
调整参数
信号发送通讯
自平衡小车的原理：
自平衡小车自动平衡运作原理主要是建立在一种被称 为“动态稳定”（Dynamic Stabilization）的基本原理 上，也就是车辆本身的自动平衡能力。 当处于平衡态的小车受到干扰或者运动指令时，破坏 了原有的的平衡时，其内置的精密六轴陀螺仪（SolidState Gyroscopes）迅速判断车身所处的姿势状态以及角 度偏差等，透过精密且高速的中央微处理器计算出适当的 指令后，驱动两个步进马达的转速和旋转方向，来做到快 速准确地重新达到平衡的效果。
通过 蓝牙 传给 从机 显示 传送 信息
调定参数
现阶段进度：
我们已经熟悉各个元件要实现的功能、原理和使用方法！ 并且已经实现了利用高低电平的切换来控制电机的正反转； 也可以利用角度传感器将电机在前进或者其他运动或静止 时的直立状态和平衡状态检测出来；同时，我们还实现了 通过蓝牙的无线传输来实现无线的主从机模块的通讯；至 于远程控制端，已经能够实现各种参数实时显示在显示屏 上，并随时进行调整和控制，以便于我们更好地控制和调 整电机每时每刻的平衡。
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。
自平衡小车原理
自平衡小车原理
自平衡小车是一种能够在没有外部干扰的情况下，保持直立并进行移动的智能机器人。
它通常由一个底盘和一个竖立的结构组成，结构中包含了各种传感器、执行器和控制器。
自平衡小车的原理主要基于控制系统和物理平衡。
在运行过程中，小车通过不断地获取外部环境信息，并通过传感器将这些信息发送给控制器。
控制器会实时地分析这些信息，并根据预设的算法计算出小车所需要的平衡力。
然后，控制器会将这个平衡力转化为电信号，通过执行器作用在小车的底盘上，从而使小车能够保持直立。
在物理平衡方面，自平衡小车的结构设计十分关键。
通常，小车的结构会采用倒立摆的原理，即小车底盘下方安装一个重力中心较低的质量块，上方则安装一个倒立的结构。
这样的结构可以使小车在外力作用下产生倾斜，但通过控制系统的调节，小车可以通过调整底盘上的力，使自己重新回到垂直直立的状态。
另外，小车还需要依靠惯性来保持平衡。
当小车受到外力作用而产生倾斜时，内部的陀螺仪会感知到这一倾斜，并通过控制系统来产生一个相反方向的力来抵消倾斜，从而保持平衡。
总的来说，自平衡小车的原理是基于控制系统和物理平衡相结合的。
通过不断地获取环境信息、计算出平衡力并通过执行器施加，小车能够实现保持直立并进行移动的功能。
这种原理的应用广泛，例如人们常见的平衡车、智能摄像机等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
主要用到 稳压芯lm2596 能够将7-12V 之间的输入电 压转化为5V的 输出电压。
每通道输出最高1.2 A的 连续驱动电流，启动峰 值电流达2A/3.2 A(连续 脉冲/单脉冲); 4种电机控制模式：正转 /反转/制动/停止; PWM支持频率高达 100kHz; 待机状态;片内低压检测 电路与热停机保护电路 工作温度：20-85℃ SSOP24小型贴片封装
float
最终确定P=20,D=0.011.
mpu6050
光码盘 32单片机控 制模块
蓝牙
电机驱动
优点：
角度测量与角加速度
测量于一体。
输出为数字信号，便
于储存和传输。
测量范围大，反应快。
mpu60 50
工作模式：主从机模 供电电压：3.3-3.6V 通讯距离：8-10M
HC-06
0 0 1 AIN2 0 1 0 停止 正转 反转
真值表： BIN1
0 0 1 BIN2 0 1 0 停止 正转 反转
A01、AO2接电机1的两 B01、BO2接电机2的
个脚
两个脚
功能描述：角度环控制函数
void
AngleControl(void) { g_fCarAngle = Roll - CAR_ZERO_ANGLE; g_fAngleControlOut = g_fCarAngle * g_fCarAngle_P + \gyro[0*g_fCarAng}le_D} 功能函数：速度环控制函数 void SpeedControl(void) g_fCarSpeed = (g_s32LeftMotorPulseSigma+ g_s32RightMotorPulseSigma ) * 0.5 ; g_s32LeftMotorPulseSigma = g_s32RightMotorPulseSigma = 0;
双轮自平衡小车
队名： 岳甄张 指导老师：曾培勇 队员： 岳伟峰 张海文 甄文鑫
根据题目要求，要完成小车的站立和运动，而保持 小车的行为时通过两个直流电机所完成的。因此可以 把小车当成控制对象，控制输入量是两个车轮的转动 速度，整个系统可以分为三个子系统。 （1）小车的平衡控制：以小车倾角为输入量，通过 直流电机正传反转保持小车平衡。 （2）小车的速度控制：在保持平衡的基础上，通过 改变小车的倾斜角实现对小车速度的控制，实际上演 变为通过控制电机对速度进行控制。 （3）小车方向控制：通过左右直流电机转速不同控 制。 难点：小车同时受到三种控制的影响，从小车平衡控 制来看，其他两点就成为了干扰，所以我们采用PID 技术使速度和方向控制应该尽可能地平滑，减少对平 衡的影响。
首先把D确定为0,然后调节P,直到小车明显摆 动,调小P.慢慢加入D，当小车抖动时调小D,选 取一组合适的值。
Hale Waihona Puke g_fCarAngle_P = 20； float g_fCarAngle_D = 0.011; float g_fCarSpeed_P = 5; float g_fCarSpeed_I = 0.1;
TB6612F NG
TB6612是双驱动，也就是可以驱动两个电
机
控制两个电机的IO口STBY口接单片机的IO
口。清0电机全部停止 置1通过AIN1 AIN2，BIN1，BIN2 来控制正 反转
驱动1路 PWMA接单片机的
驱动2路 PWMB接单片机的
PWM口
PWM口
真值表： AIN1