基于PID控制器的两轮自平衡小车设计

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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。

基于积分分离PID控制的自平衡车设计

基于积分分离PID控制的自平衡车设计∗李满【摘要】在分析两轮共轴小车物理模型的基础上，比较现有的一些控制算法的优缺点，采用积分分离 PID算法作为小车的最终控制方式。

然后利用 Matlab 软件自带的 Simulink仿真环境，依据两轮共轴小车的物理模型建立较为精确的仿真模型。

得出的仿真结果验证了积分分离式 PID算法控制的可行性。

【期刊名称】《武汉交通职业学院学报》【年(卷),期】2016(018)002【总页数】5页(P82-86)【关键词】两轮共轴平衡小车;积分分离PID;Matlab仿真【作者】李满【作者单位】武汉交通职业学院，湖北武汉 430065【正文语种】中文【中图分类】TP2320世纪80年代，随着自动化控制理论和机器人技术的不断发展，两轮共轴自平衡系统最初作为新型机器人底盘的研究目的开始出现在实验室。

和自行车这样的两轮不共轴系统相比，两轮共轴系统由于自身结构的特点具有占地面积小，灵活性高，通过性强，静止状态可平衡等优点。

与汽车的四轮结构相比，两轮共轴结构又具有结构简单，可以原地360°转向的优势。

通过在两轮共轴系统车体上安装高效率的嵌入式处理器，高精度的运动传感器以及大扭矩的直流电机，这样的系统取代了骑车人的角色，车体的平衡控制可以无需人为干预，这样的系统也被称之为两轮共轴自平衡系统。

到了21世纪，两轮共轴自平衡系统逐渐从实验室走向民用市场，并衍生出了一系列的民用产品，包括单轮体感自平衡车，两轮体感自平衡车，等等[1]。

这些产品非常适合室内场馆代步，短途交通，锻炼娱乐等用途，极大解放了人的劳动力。

本文在分析两轮共轴小车物理模型的基础上，基于积分分离PID控制算法设计两轮共轴自平衡车，具有重要的现实意义。

1.1 两轮共轴平衡车的物理模型先以普通单摆为例分析一下，普通单摆的平衡实现包含两种情况，一种是受重力的影响在垂直的中线附近来回运动一直到趋近静止，另一种是如果不考虑空气阻力的影响，则可以在中线附近一直摆动下去，而且单摆速度和阻力的大小有关，相当于一种动态的稳定平衡状态。

基于卡尔曼滤波和PID控制的两轮自平衡车

基于卡尔曼滤波和PID控制的两轮自平衡车【摘要】针对两轮自平衡车的稳定和运动过程中的控制问题，我们在信号处理的过程中引入卡尔曼滤波对信号进行处理并且采用传统的pid控制，将控制过程分为三个部分，即站立、直线运动和转向。

由于车体运动分为这三个部分，并且这三个部分必须几乎同时控制，所以采用分时控制每一部分的方法，该方法被成功应用于“飞思卡尔”智能车大赛，并且取得良好效果。

【关键词】倒立摆系统；自平衡车；卡尔曼滤波；pid控制引言倒立摆系统是控制系统的一个重要的分支和典型的应用。

实际上它可以理解成在计算机的控制下，通过对系统各种状态参数的实时分析，使系统在水平方向或垂直方向上的位移和角度（角速度）的偏移量控制在允许的范围以内，从而使系统保持平衡。

自平衡车就是以倒立摆系统为工作原理的成品，两轮自平衡智能小车直立行走是要求仿照两轮自平衡电动车的行进模式，让车模以两个后轮驱动进行直立行走。

近年来，两轮自平衡电动车以其行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。

国内外有很多这方面的研究，也有相应的产品。

相对于传统的四轮行走的车模竞赛模式，车模直立行走在硬件设计、控制软件开发以及现场调试等方面提出了更高的要求。

实物图如下：一、系统构成整个模型车分为两个部分组成，即硬件电路和软件两部分。

硬件电路主要由加速度计、陀螺仪、微控制器、编码器、线性ccd、电机驱动电路组成。

由微处理器对陀螺仪、滤波电路和加速度计构成的传感器组进行高速a/d采样后，通过卡尔曼滤波器对传感器数据进行补偿和信息融合，得到准确的姿态角度信号，此角度信号再通过pid控制器运算，输出给电子调速器转换成pwm 信号，进而对电机进行控制。

系统结构框图如下图所示：二、卡尔曼滤波加速度计用于测量物体的线性加速度，加速度计的输出值与倾角呈非线性关系，随着倾角的增加而表现为正弦函数变化。

因此对加速度计的输出进行反正弦函数处理，才能得到其倾角值。

测量数据噪声与带宽的平方根成正比，即噪声会随带宽的增加而增加。

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。

两轮自平衡小车的设计

两轮自平衡小车的设计设计原理：两轮自平衡小车的设计原理基于倾角控制算法和正反馈控制理论。

当车身发生倾斜时，传感器将感知到倾角，并通过控制算法计算出合适的电机控制信号，使车身产生逆倾的力矩，从而使车身重新回到平衡状态。

当车辆向前倾斜时，电机会产生足够的力矩向前旋转，使小车向前加速，反之亦然。

通过不断监控和调整车体的倾角，小车能够保持平衡，并根据用户的指令进行前进、后退、转弯等动作。

硬件组成：1.IMU：IMU是最核心的传感器之一，通常由陀螺仪和加速度计组成。

陀螺仪用于测量车身的旋转角速度，加速度计则用于测量车身的倾角。

通过对陀螺仪和加速度计测量结果的融合，可以得到较为准确的车身姿态信息。

2.电机驱动器：电机驱动器用于控制电机的转速和方向。

它接收来自控制器的电机控制信号，并根据信号的大小和方向来调整电机的运转。

常见的电机驱动器有H桥驱动和PWM调速电路。

3.电机：两轮自平衡小车通常采用直流电机作为动力源。

电机的规格和功率根据车辆的大小和负载来确定。

一般情况下，电机的转速和扭矩越高，小车的稳定性和运动性能越好。

5.控制器：控制器是小车的主要计算和决策中心。

它接收来自IMU的姿态信息，通过算法计算出电机控制信号，并将信号传递给电机驱动器。

控制器通常采用单片机或微控制器作为基础，并配备相应的传感器接口、通信接口和控制算法。

软件控制：1.姿态控制算法：姿态控制算法通过对IMU传感器测量数据的处理，确定小车的倾角，并根据倾角的变化来计算电机的控制信号。

常见的姿态控制算法有PID控制器和卡尔曼滤波算法等。

2.运动控制算法：运动控制算法用于实现小车的前进、后退、转弯等动作。

它通过根据用户的指令调整电机的转速和方向，使小车按照预定的路径和速度运动。

常见的运动控制算法有速度控制和位置控制等。

3.用户界面：用户界面是与用户交互的界面，用于发送指令和接收反馈信息。

用户可以通过按钮、摇杆等设备来控制小车的运动，并通过显示屏、LED灯等设备来获取小车的工作状态。

基于PID控制器的两轮自平衡小车设计

基于PID控制器的两轮自平衡小车设计一、引言在自动控制领域中，PID控制器是一种常用的控制器。

它通过对系统输出进行反馈，来调节系统的输入，使系统的输出尽可能接近预期值。

本文将基于PID控制器设计一个两轮自平衡小车。

二、系统模型两轮自平衡小车是由两个驱动电机控制的，通过控制电机的转速来实现小车的前进、后退、转向等功能。

小车的整体结构是一个倒立摆，通过控制电机的转速，使其保持垂直状态。

系统的输入是电机转速，输出是小车的倾斜角度。

三、PID控制器PID控制器由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分组成。

这三个部分根据误差来计算控制信号，实现对系统的控制。

1.比例控制部分：比例控制器根据误差的大小来计算控制信号。

误差是指系统输出与期望输出之间的差异。

比例控制器的计算公式为u_p=K_p*e(t)，其中u_p是比例输出，K_p是比例增益，e(t)是误差。

2. 积分控制部分：积分控制器根据误差的累积值来计算控制信号。

积分控制器的计算公式为u_i = K_i * ∫e(t)dt，其中u_i是积分输出，K_i是积分增益，∫e(t)dt是误差的累积值。

3. 微分控制部分：微分控制器根据误差的变化率来计算控制信号。

微分控制器的计算公式为u_d = K_d * de(t)/dt，其中u_d是微分输出，K_d是微分增益，de(t)/dt是误差的变化率。

PID控制器的输出信号为u(t)=u_p+u_i+u_d，其中u(t)是控制信号。

四、设计与实现在设计两轮自平衡小车的PID控制器时，需要根据系统的特性来选择合适的参数。

通常可以通过试验或仿真来获得系统的模型，进而进行参数调节。

1.参数调节：首先，可以将系统的转角作为输入信号，通过试验或仿真来获得小车的倾斜角度与转角的关系。

然后，可以根据比例、积分和微分控制部分的特性，来选择合适的增益参数。

比例增益越大，系统的响应速度越快，但可能会引起震荡；积分增益可以消除静态误差，但可能会引起过冲；微分增益可以减小震荡，但可能会引起超调。

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。

毕业设计(论文)-两轮自平衡小车的设计

本科毕业设计（论文）题目两轮自平衡小车的设计学院电气与自动化工程学院年级专业班级学号学生姓名指导教师职称论文提交日期两轮自平衡小车的设计摘要近年来，两轮自平衡车的研究与应用获得了迅猛发展。

本文提出了一种两轮自平衡小车的设计方案，采用陀螺仪ENC-03以及MEMS加速度传感器MMA7260构成小车姿态检测装置，使用卡尔曼滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合。

系统选用飞思卡尔16位单片机MC9S12XS128为控制核心，完成了传感器信号的处理，滤波算法的实现及车身控制，人机交互等。

整个系统制作完成后，各个模块能够正常并协调工作，小车可以在无人干预条件下实现自主平衡。

同时在引入适量干扰情况下小车能够自主调整并迅速恢复稳定状态。

小车还可以实现前进，后退，左右转等基本动作。

关键词：两轮自平衡陀螺仪姿态检测卡尔曼滤波数据融合IDesign of Two-Wheel Self-Balance VehicleAbstractIn recent years, the research and application of two-wheel self-balanced vehicle have obtained rapid development. This paper presents a design scheme of two-wheel self-balanced vehicle. Gyroscope ENC-03 and MEMS accelerometer MMA7260 constitute vehicle posture detection device. System adopts Kalman filter to complete the gyroscope data and accelerometer data fusion.，and adopts freescale16-bit microcontroller-MC9S12XS128 as controller core. The center controller realizes the sensor signal processing the sensor signal processing, filtering algorithm and body control, human-machine interaction and so on.Upon completion of the entire system, each module can be normal and to coordinate work. The vehicle can keep balancing in unmanned condition. At the same time, the vehicle can be adjusted independently then quickly restore stability when there is a moderate amount of interference. In addition, the vehicle also can achieve forward, backward, left and right turn and other basic movements.Key Words: Two-Wheel Self-Balance; Gyroscope; Gesture detection; Kalman filter; Data fusionII目录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内容 (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)III3.4.1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)4.2.1锁相环初始化 (28)4.2.2模数转换模块（ATD）初始化 (29)4.2.3串行通信模块（SCI）初始化设置 (30)4.2.4测速模块初始化 (31)4.2.5 PWM模块初始化 (32)4.3姿态检测系统软件设计 (32)4.3.1陀螺仪与加速度计输出值转换 (32)4.3.2卡尔曼滤波器的软件实现 (34)4.4平衡PID控制软件实现 (36)4.5两轮自平衡车的运动控制 (37)4.6本章小结 (39)5. 系统调试 (40)5.1系统调试工具 (40)5.2系统硬件电路调试 (40)5.3姿态检测系统调试 (41)5.4控制系统PID参数整定 (43)5.5两轮自平衡小车动态调试 (44)IV5.6本章小结 (45)6. 总结与展望 (46)6.1 总结 (46)6.2 展望 (46)参考文献 (47)附录 (48)附录一系统电路原理图 (48)附录二系统核心源代码 (49)致谢 (52)V常熟理工学院毕业设计（论文）1.绪论1.1研究背景与意义近年来，随着电子技术的发展与进步，移动机器人的研究不断深入，成为目前科学研究最活跃的领域之一，移动机器人的应用范围越来越广泛，面临的环境和任务也越来越复杂，这就要求移动机器人必须能够适应一些复杂的环境和任务。

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]。

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。

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。

基于单片机的两轮自动平衡小车系统的设计

第30卷第12期2020年12月长春大学学报JOURNAL OF CHANGCHUN UNIVERSITYVol.30No.12Dec.2020基于单片机的两轮自动平衡小车系统的设计杜丽敏，王岩（长春大学电子信息工程学院，长春130022）摘要：通过对倒立摆模型的受力分析，使两轮小车保持自平衡运行状态。

硬件上采用STM32F103ZET6单片机为核心控制器，利用MPU6050检测小车的速度和加速度，选择L298N驱动两个两相直流电机，采用霍尔测速码盘获得电机的转速，通过电磁检测电路实现电磁轨迹跟踪。

软件上采用PI和PD构成串级控制算法,MPU6050采集到的小车姿态数据经卡尔曼滤波进行数据处理。

最终实现了平衡车的稳定控制，完成了小车直立和行走功能。

关键词：两轮自动平衡小车；STM32F103ZET6；MPU6050；串级控制器；卡尔曼滤波中图分类号:TP273文献标志码:A文章编号：1009-3907（2020）12-0019-06两轮自动平衡车凭借其运动灵活、体积小巧、经济环保等优点逐渐被人们喜欢，并且在人们的生产生活中起着越来越重要的作用。

两轮自动平衡小车采用倒立摆工作原理,使小车保持平衡状态，其系统具有非线性、强耦合、不稳定等特点⑴。

因此,两轮自平衡车不仅在市场中有很大的价值和前景，在验证或校验控制算法和控制理论上更有一个很好的实验平台［2］。

文献［3-4］设计了基于LQR的最优控制器,该控制算法具有较快的动态响应速度，对于干扰具有良好的鲁棒性;文献［5］针对和LQR两种控制方法进行了对比分析，证明了前者在欠驱动系统的控制中具有一定的参考价值;文献［6］针对两轮平衡小车给出了硬件设计方案，以及基于PID的控制算法，实验中验证了设计方案的可行性。

本文主要研究了PID控制算法在两轮自动平衡小车中的应用。

首先，构建以STM32F103ZET6单片机为核心的两轮直立小车控制系统;其次，对两轮自动平衡小车进行了数学建模,验证了PD控制算法可以使小车保持直立稳定状态，进而基于PID设计了串级控制算法;最后将所设计的控制算法应用在了实物中，实现了小车的直立和行走功能。

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。

双轮自平衡小车项目设计报告

双轮自平衡小车项目设计报告电子与信息工程学院项目设计报告项目名称双轮自平衡小车设计学生姓名戴磊103621015廖崎107221046李旭103621045王思然103522024专业电子信息科学与技术班级103622指导教师李东京万青赵东目录一自平衡小车的总体方案设计 (3)1、自平衡小车的设计方案 (3)2、自平衡小车的总体框图 (3)二系统的具体设计与实现 (4)1、单片机控制模块 (4)2、陀螺仪加速度计模块 (4)3、光码盘测速模块 (6)4、稳压模块 (7)5、电机驱动模块 (8)6、LCD1602显示模块 (11)三软件系统设计 (16)1、设计思想 (16)（1）PID技术 (16)（2）应用现状 (16)（3）PID调节规律 (17)（4）极点配置 (18)（5）极点配置条件 (18)（6）极点配置控制器 (21)2、程序流程图 (22)3、程序代码 (23)摘要随着科技进步，生活水平的提高，人们追求智能与舒适的愿望也日益强烈。

从而催生了许多智能化的产品。

如智能电视、智能小车等。

如何实现小车的小车的自动快捷驾驶，也成为人们心中的向往与疑问，基于这种趋势与需求，着眼于实际情况。

本文介绍了基于STC90C51单片机的自平衡小车系统的设计。

系统基于陀螺仪等传感器，利用PID平衡算法，对小车的速度倾斜角度平衡状态来进行检测，并通过单片机来控制电机来实现双轮小车自如平衡地运动。

从而实现小车智能自主控制的目的。

关键词：STC90C51 自平衡PID算法一自平衡小车的总体方案设计1、自平衡小车的设计方案该自平衡小车，采用STC90C51单片机和各种传感器的组合，构成了自平衡小车系统。

其系统主要由以下几个部分组成：单片机控制系统、陀螺仪加速度检测模块、光码盘测速模块、稳压模块、电机驱动模块、LCD1602显示模块组成。

本设计的自平衡小车工作原理：给小车通电，平衡放在地上，当小车开始倾斜时，陀螺仪及时地采集的小车倾斜角度数据传给单片机，而加速度计将车子倾斜的瞬时加速度采集后也传给单片机，同时，光码测速仪也将车子的实时速度采集后传给单片机。

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。

《基于双轮自平衡小车的PID参数验证平台的设计》范文

《基于双轮自平衡小车的PID参数验证平台的设计》篇一一、引言随着智能控制技术的快速发展，双轮自平衡小车作为一种典型的动态系统，被广泛应用于智能交通、服务机器人和智能家居等领域。

PID（比例-积分-微分）控制算法作为最常用的控制策略之一，在双轮自平衡小车的控制中起着至关重要的作用。

本文旨在设计一个基于双轮自平衡小车的PID参数验证平台，为优化PID参数提供有效的工具和手段。

二、设计目标本设计的核心目标是构建一个功能完善、操作简便的PID参数验证平台，以实现对双轮自平衡小车PID控制参数的精确验证和优化。

该平台应具备以下特点：1. 高度集成化：整合硬件设备和软件算法，实现一体化设计。

2. 实时性：能够实时监测和调整小车的运行状态，为PID参数的调整提供实时反馈。

3. 便捷性：操作界面友好，便于用户进行参数设置和调整。

4. 通用性：适用于不同型号和规格的双轮自平衡小车。

三、平台架构设计本平台主要由硬件设备和软件算法两部分组成。

（一）硬件设备硬件设备包括双轮自平衡小车、传感器、控制器、电源等。

其中，双轮自平衡小车采用典型的两轮驱动结构，通过电机驱动实现平衡和移动；传感器用于实时监测小车的状态信息，如角度、速度等；控制器负责接收传感器数据，根据PID算法计算出控制指令，驱动电机实现小车的平衡和移动；电源为整个系统提供稳定的电力供应。

（二）软件算法软件算法主要包括PID控制算法、数据采集与处理、用户界面等部分。

PID控制算法是本平台的核心，负责根据小车的状态信息计算出控制指令；数据采集与处理负责实时采集传感器数据，并进行预处理和存储；用户界面提供友好的操作界面，便于用户进行参数设置和调整。

四、PID参数验证流程设计本平台通过以下步骤进行PID参数的验证和优化：1. 初始化：设置初始的PID参数，启动小车和平台。

2. 数据采集：通过传感器实时采集小车的状态信息，如角度、速度等。

3. PID计算：根据采集的数据和设定的PID参数，计算出控制指令。