两轮自平衡小车毕业设计毕业论文

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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。

两轮自平衡小车毕业设计毕业论文

1.绪论 (1)

1.1研究背景与意义 (1)

1.2两轮自平衡车的关键技术 (2)

1.2.1系统设计 (2)

1.2.2数学建模 (2)

1.2.3姿态检测系统 (2)

1.2.4控制算法 (3)

1.3本文主要研究目标与容 (3)

1.4论文章节安排 (3)

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)

3.系统硬件电路设计 (17)

3.1 MC9SXS128单片机介绍 (17)

3.2单片机最小系统设计 (19)

3.3 电源管理模块设计 (21)

3.4倾角传感器信号调理电路 (22)

3.4.1加速度计电路设计 (22)

3.4.2陀螺仪放大电路设计 (22)

3.5电机驱动电路设计 (23)

3.5.1驱动芯片介绍 (24)

3.5.2 驱动电路设计 (24)

3.6速度检测模块设计 (25)

3.6.1编码器介绍 (25)

3.6.2 编码器电路设计 (26)

3.7辅助调试电路 (27)

3.8本章小结 (27)

4.系统软件设计 (28)

4.1软件系统总体结构 (28)

4.2单片机初始化软件设计 (28)

两轮自平衡小车的电动减速轮设计

学号：24101901695

南湖学院

毕业论文（设计）

题目：两轮自平衡小车的

电动减速轮设计

作者lxxxx 届别xxx 系别xxxx 专业xxx 指导老师xxxx 职称xxx 完成时间xxxxx

摘要

两轮自平衡机器人与两轮自平衡电动车都属于两轮自平衡系统的范畴。两轮自平衡小车是一种可靠、便捷、环保的短途运输交通工具，它占地面积小，通过路面的能力强，并且非常灵活，适用于场馆、机场等地。近年来国内外对两轮自平衡机器人的控制研究较多，但针对其机械结构的研究却较少，尤其是对两轮自平衡电动车的研究更是少之又少。本文总结了国内外相关领域的研究成果，对两轮自平衡电动车的减速轮进行了机械设计，选择了各零部件合适的材料，绘制了减速轮的零件图和装配图，并对轴承进行了强度校核。

关键词：两轮自平衡；减速轮；机械设计；Pro/E

Abstract

Both the two-wheeled self-balancing electric vehicle and the two-wheeled self-balancing robot belong to the two-wheeled self-balancing system .Since the two-wheeled self-balancing electric vehicle is a kind of reliable and convenient, environmental protection and short-distance transportation vehicles, it covers an area of small, it has the ability to through the pavement, and it is very flexible , and it is applicable to the venue, airport, etc. In recent years studies of the two- wheeled self-balancing robot are too numerous to mention，and most of them focus on the control but not the structure. After having summarized the research results of the field，this thesis designed the two- wheeled self-balancing electric vehicle gear wheel’s mechanical design, choose various spare parts suitable materials, draws the part drawing and the assembly drawing about the gear wheel, and the bearing force respectively.

两轮自平衡小车研究毕业设计论文精品

本科毕业设计

题目两轮自平衡小车研究

学院电子信息工程学院

专业自动化

学生姓名刘长根

学号 200910311332 年级 2009级

指导教师罗浚溢职称博士

年月日

两轮自平衡小车研究

专业：自动化学号：200910311332

学生：刘长根指导教师：罗浚溢

摘要：现在两轮自平衡小车的研究在全世界得到很大的关注。本论文主要工作是对两轮自平衡小车的原理进行研究并且和提出一种设计方案。本次设计方案是采用ENC-03MB陀螺仪传感器和MMA7361LC 三轴加速度倾角传感器构成小车的状态检测装置，使用算法使陀螺仪数据和加速度计数据的融合得到小车的倾角，再通过一定的算法使小车保持直立状态。系统采用飞思卡尔公司的DSC 16位处理器XS128单片机为核心控制处理器，完成传感器信号的处理，滤波算法的实现和车身控制等一些任务。在小车制作完成后，各个模块之间能够正常并且协调的工作，小车可以只无人干预的条件下实现自主平衡，运用手机蓝牙可以控制小车的前进、后退、左右转动等各个动作。

关键词：两轮自平衡小车；陀螺仪；加速度倾角传感器；XS128单片机

Research of The Two-wheel Self-balance Car Specialty：Automation Student Number：200910311332

Student：Liu Changgen Supervisor：Luo Junyi

Abstract:Now ，the research of two-wheel self-balance car get great attention all over the world.The main job of this paper is to study the principle of the two-wheel self-balance car and put forward a design scheme.This design used ENC-03MB gyroscope sensor and MMA7361LC triaxial acceleration and angle sensor constitute the car status detection ing algorithms made fusion of gyroscope data and accelerometer data to get the tilt angle of the car.Then ,through a certain algorithm to make the car keep upright.The system adopted freescale company DSC 16-bit processor XS128 single-chip microcomputer as the control core,it realized the sensor signal processing the sensor signal processing,filtering algorithm and body control and so on.After the car production is completed,each module can be normal and to coordinate work,the car can keep balancing in unmanned ing mobile phone Bluetooth can control the car forward,backward,turn right or left,and other actions.

两轮自平衡小车角度检测软件设计

编号

毕业设计（论文）题目两轮自平衡小车角度检测软件设计

二级学院应用技术学院

专业电气工程及其自动化

班级 108217401

学生姓名钱艳学号10821740136

指导教师周鹏职称讲师

时间 2012年5月

摘要...................................................................................................................................... I

Abstract............................................................................................................................. I I

1 概述 (1)

1.1 两轮自平衡小车的研究意义 (1)

1.2两轮自平衡小车的发展历程和国内外研究现状 (2)

1.2.1 国外研究现状 (2)

1.2.2国内研究成果 (3)

1.2.3国内外研究分析总结 (4)

1.3 本人所做工作 (4)

2两轮自平衡小车整体设计 (6)

2.1机械系统的设计 (6)

2.2 控制系统的设计 (8)

2.2.1主控制器模块 (9)

2.2.2角度检测模块 (10)

3 两轮自平衡小车常见数学模型及控制算法 (11)

3.1动力学模型及其参数说明 (11)

3.2控制算法的设计 (12)

3.2.1平衡控制 (12)

3.2.2 直行和转弯控制 (13)

两轮自平衡小车毕业设计

毕业设计题目：两轮自平衡小车设计

一、毕业设计背景与意义

目前，智能机器人技术已经在各个领域得到广泛的应用，其中自平衡

小车是一种非常具有代表性的机器人。自平衡小车能够通过自身的控制系

统来保持平衡姿态，并能够实现各种转向和动作。因此，自平衡小车不仅

能够广泛应用于工业生产中，还可以成为搬运、巡逻和助力等领域的优秀

协助工具。

本毕业设计的目标是设计和实现一种能够自动控制、实现平衡的两轮

自平衡小车。通过这个设计，进一步探究并研究自平衡技术的原理及应用，增加对机器人控制系统和传感器的理解，提高对计算机控制和嵌入式系统

的应用能力。

二、毕业设计的主要内容和任务

1.研究和调研

a)研究两轮自平衡小车的构造和原理；

b)调研目前市场上相关产品，并分析其特点和存在的问题。

2.模块设计

a)根据研究结果，设计自平衡小车的主要模块，包括平衡控制模块、

动作控制模块和传感器模块；

b)设计相关控制算法和策略，使小车能够保持平衡并能够实现转向和

动作。

3.硬件搭建和调试

a)根据模块设计的结果，搭建小车的硬件系统，包括选择适用的电机、陀螺仪、加速度计等；

b)进行相应的调试和优化，保证小车的平衡和动作控制能力。

4.软件开发和系统集成

a)开发小车的控制系统软件，包括实时控制系统和传感器数据处理等；

b)将硬件系统和软件系统进行有机地集成，实现小车的平衡和动作控制。

5.实验和测试

a)进行实验测试，验证设计的有效性和稳定性；

b)进行相关的性能测试和比较研究。

三、设计预期成果

1.自平衡小车的系统设计和实现，能够平衡姿态并能够实现转向和动

两轮自平衡小车毕业设计

1.1 研究背景与意义······················································································· 1 1.2 两轮自平衡车的关键技术··········································································· 2 1.2.1 系统设计··························································································· 2 1.2.2 数学建模··························································································· 2 1.2.3 姿态检测系统····················································································· 2 1.2.4 控制算法··························································································· 3 1.3 本文主要研究目标与内容··········································································· 3 1.4 论文章节安排·························································································· 3

毕业论文电动自平衡车

Key Words：Two-wheeled Self-balancing Vehicle Complementary Filter
Gyroscope
Accelerometer
-3-
北京科技大学本科生毕业设计（论文）
目录
摘要 .................................................................................................................................1 Abstract .................................................................................................................................... 2 引言 .................................................................................................................................1 1 绪论 .....................................................................................................................................2

基于单片机两轮自平衡小车开题报告

高等教育自学考试本科毕业论文开题报告

论文题目：基于单片机的两轮自平衡小车的系统设计

考生姓名：准考证号：

专业层次：本科院（系）：机械与动力程学院指导教师：职称：

重庆科技学院

二O一四年一月六日

图1。1Nbot 图1.2JOE机器人国内方面：我国在两轮自平衡机器人方面的研究也取得了一定的成就，西安电子科技大学研究出了自平衡两轮机器人，它是一种两轮式左右并行布置结构的自平衡系统。它利用伺服放大器ADS作为控制器，选择两个Maxson电机作为执行元件，采用自适应神经模糊控制器对小车这一非线性对象进行大范围控制，从而实现系统的自平衡；哈尔滨工业大学也有类似的双轮直立自平衡机器人，该系统采用DSP作为控制核心。车体倾斜角度检测采用加速度传感器和陀螺仪。利用PWM技术动态控制两台直流电机的转速。基于这些完备而可靠的硬件设计，使用了一套独特的软件算法，实现了该系统的平衡控

制。

平衡车毕业论文

引言：

平衡车作为一种新兴的交通工具，其独特的设计和便捷的使用方式吸引了越来越多人的关注。本论文旨在探讨平衡车的设计原理、技术应用以及未来发展趋势，为该领域的研究和发展提供一定的参考。

一、平衡车的设计原理

平衡车的设计原理主要基于陀螺仪和加速度计的使用。陀螺仪通过检测车身的倾斜角度，进而控制车轮的转动，实现平衡。加速度计则用于检测车身的加速度，从而确定车辆的移动方向和速度。这两个传感器的协同作用使得平衡车能够精确地感知和控制自身的姿态和运动。

二、平衡车的技术应用

1. 个人出行工具：平衡车作为一种轻便、环保的交通工具，逐渐成为城市居民出行的首选。其小巧的体积和灵活的操控性使得穿行于拥挤的城市街道变得更加便捷和高效。

2. 旅游观光工具：平衡车在旅游景点的应用也越来越广泛。游客可以借助平衡车快速游览景点，既节省了时间，又增加了游览的趣味性。同时，平衡车的设计使得它在不同地形上都能够保持稳定，适应性强。

3. 物流配送工具：平衡车的携带能力和机动性使其成为物流配送的理想选择。无人驾驶的平衡车可以根据预设的路线和目的地，自主完成货物的运输任务，减轻了人力成本和交通压力。

三、平衡车的未来发展趋势

1. 智能化发展：随着人工智能和传感技术的不断进步，未来的平衡车将更加智

能化。通过与云端的连接，平衡车可以实现远程控制和数据传输，进一步提升

用户体验和功能性。

2. 多样化设计：平衡车的外观设计也将进一步多样化。未来的平衡车可能会融

入更多的科技元素，如LED灯光、音响系统等，使得骑行过程更加安全和有趣。

平衡小车毕业设计任务书

一、设计背景

随着科技的进步和发展，智能化已经开始成为当今社会发展的一

个重要趋势，机器人技术也飞速发展。平衡小车是机器人技术的一个

分支，它可以通过自身的控制系统实现自主平衡、前进、转弯等动作，具有较高的实用价值和研究意义。

二、设计目的

本毕业设计的主要目的是设计一种基于Arduino控制系统的平衡

小车，并通过对该小车的制作过程了解和掌握相关的设计、制作、测

试和调试技术，提高自身对于机器人技术的理解和应用水平，并且为

之后的研究和发展提供一定的基础和思路。

三、设计内容

1、硬件设计：设计所需电路，包括电源、传感器、驱动电路等。选择合适的驱动电机、轮子等机车构造以达到平衡小车的设计理念。

2、控制程序设计：编写合适程序，并且在其中加入PID控制算

法实现平衡小车的自主平衡功能。程序的调试和测试包括方向控制、

速度控制和动态平衡等，确保平衡小车能够按照设定的路线行驶。

3、机械结构设计：设计平衡小车的机械结构，包括车身、轮子、悬挂等部分。其中车身部分不仅要兼顾美观和实用性，还需要兼顾重

心和自重问题。

4、加速度计设置：在平衡小车上设置加速度计，通过加速度计

检测车身的倾斜度，反馈给控制系统，从而实现自身平衡控制。

四、预期成果

本毕业设计的主要预期成果包括：

1、制作出一款基于Arduino控制系统的平衡小车，并且能够使

用遥控或手柄进行控制。

2、编写出符合实际操作需求的控制程序，通过测试和调试实现

平衡小车的自主平衡、前进、转弯等动作。

3、设计出美观实用的平衡小车机械结构，包括车身、轮子、悬挂等部分。

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。

两轮自平衡小车毕业设计

04161120(总24页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1

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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 APP

Design of Two-Wheel Self-Balance Vehicle

Abstract

In 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.

智能车两轮自平衡小车系统毕业论文

摘要

近年来，两轮自平衡机器人的研究取得了快速的发展，两轮自平衡小车的动力学系统是一种多变量、非线性、强耦合的系统，是检验各种控制方法的典型装置。同时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，必将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。

本文主要介绍了基于Freescale MC9S12XS128单片机为控制核心的两轮自平衡小车系统，以验证经典的PID控制在动态平衡系统上的控制效果。在该系统上，姿态传感器采用MPU6050，单片机在采集到姿态数据后，采用Kalman滤波器对得到的数据进行融合，并在此基础上分析不同滤波方法的效果。借助增量式PID控制PWM的输出和利用TB6612FNG控制电机的转向以及转速，从而实现了小车的自平衡控制。

关键词：两轮自平衡系统； Kalman滤波；数据融合； HCS12； MPU6050 .

Design and implementation of two-wheeled self-balancing vehicle

Abstract

In recently years, the research of two-wheeled self-balancing robot has made a rapid development, the dynamics system of two-wheeled self-balancing vehicle is a multivariable, nonlinear, strong coupling system, and also ，it’s a typical devices to test a variety of control methods. Because of it has a small, flexible movement and zero turning radius. It will have a wide range of applications in military and civilian fields.

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XXXX

X 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

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)

两轮自平衡车平衡控制系统的研究

①本设计采用Cortex M3内核的STM32F103系列嵌入型芯片作为主控器，性能稳定。
②惯性测量单元采用MPU6050芯片，包含三轴加速度计和三轴陀螺仪，其中加速度计用以测量车体的角度，陀螺仪用以测量车体的角速度。
③对信号采集后的滤波和姿态解算采用了两种滤波算法作为比较，分别是四元数法和卡尔曼滤波算法。
④电源部分采用开关型芯片LM2596提供直流电机驱动电源及AMS1117提供芯片电源，采用光耦开关TLP521与电机驱动芯片L298P结合，通过PID控制算法控制电机，最终使两轮自平衡小车这个动态不稳定系统实现最终的“自平衡”。
2
2.1
由对自平衡小车的客观需要可知，两轮自平衡小车最终要实现的功能有三种，分别是保持直立、速度变化、和方向控制。其中保持直立即平衡控制是另外两个功能实现的基础。我们可以把小车车体（姿态）作为控制对象，把两个电机作为执行机构，把两个轮子各自的转速作为控制系统的输入量。则控制系统又可进一步分为三个子系统：
对单摆模型分析完毕后接下来进一步对一级倒立摆模型进行建模及分析。为了便于分析，在建模过程中不考虑车轮与地面的滚动摩擦力。
图2-6一级倒立摆模型受力分析
由对静止一级倒立摆模型受力分析可知，其回复力为[3]：
可知，倒立摆之所以不能向单摆一样可以稳定在垂直位置，就是因为在其偏移平衡位置时受到的回复力与其偏移方向相同而不是相反，因此不满足稳定在垂直位置的条件，反而会加速偏离垂直位置直至倾倒。

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