两轮自平衡电动车的关键技术研究
两轮智能平衡小车研究思路和方法
两轮智能平衡小车研究思路和方法两轮智能平衡小车是一种应用于机器人领域的新兴技术。
该车可以在不借助外力的情况下，保持平衡状态并完成各种运动任务。
本文将介绍两轮智能平衡小车研究的思路和方法。
一、研究思路两轮智能平衡小车的研究思路是将传感器、控制器和电机组成一个可控制的系统。
系统监测小车的姿态和运动状态，并调整车身的倾斜角度和转速，以保持平衡状态。
具体思路如下：1. 对小车的电路进行设计和搭建，包括底层硬件协议和数据传输协议。
2. 选择和安装传感器，包括加速度计和陀螺仪。
通过这些传感器来获取小车的姿态和运动状态的信息。
3. 设计小车的控制器，包括将传感器获取的数据转换成控制信号的代码。
4. 设计和调试小车的电机驱动程序，以保证控制信号能够按照设定的方式正确地操作电机，并实现车身的平衡控制。
5. 完成小车的充电和充电管理系统。
二、研究方法两轮智能平衡小车的研究方法主要可以分为以下几个阶段：1. 车载装置安装：选择合适的传感器并将其安装在小车上。
同时，需要在小车上安装电池和充电系统。
2. 传感器校准和参数优化：通过收集和分析传感器的数据，可以校准传感器的误差，并对传感器的参数进行优化，以提高控制精度。
3. 控制器设计：开发适用于平衡车的控制器，并对控制器进行验证。
在设计控制器时，需要将传感器输出的数据进行滤波处理，并设置控制参数，以实现正确的运动控制。
4. 电机驱动程序设计和测试：为小车设计驱动程序，使其能够实现平稳的平衡控制，并能够实现必要的运动步态。
同时，需要进行严格的测试和验证，以确保小车在运动时能够保持平衡。
5. 性能测试：通过对小车进行不同场景的测试，可以评估平衡车系统的性能。
测试时需要考虑不同的地形和环境条件，以评估平衡车的实际应用情况。
三、总结两轮智能平衡小车研究是一个复杂的系统工程，需要涉及机械结构、电子技术、传感技术、控制系统等多个领域。
在研究中需要充分利用各种工具和方法，规划研究方向和目标，设计测试方案和方法，以实现高效的研究和开发。
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。
二、两轮自平衡机器人的原理两轮自平衡机器人的原理主要基于倒立摆理论，即通过控制机器人前后倾斜的角度，使机器人能够保持平衡。
两轮自平衡机器人的结构一般包括电机、减速器、编码器、惯性测量单元等部件。
两轮自平衡小车系统制作研究
两轮自平衡小车系统制作研究[摘要] 自平衡小车是学习和研究各种控制方法的理想实验平台。
而系统灵敏度是研究参数不确定性对系统性能影响的理论，对两轮自平衡小车进行灵敏度分析是深入研究必须要做的工作。
[关键字] 两轮自平衡小车，系统制作，灵敏度两轮自平衡小车是一个集环境感知，动态决策与规划，行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统，是动力学理论和自动控制理论与技术相结合的研究课题，其关键是解决在完成自身平衡的同时，还能够适应各种环境下的控制任务。
利用外加的红外传感器、速度传感器、倾角传感器、防碰撞开关等，来实现小车的自主避障、跟踪、路径规划等复杂功能。
一、两轮自平衡小车的工作原理当未做控制时，不论车身向前倾斜或者向后倾斜，左右轮都处于静止状态，也就是说车身前后摆动与车轮转动是相互独立的。
当开始控制时，车身在竖直站立的状态下释放，小车有静止、前进、后退三种运动的方式，在正确的控制策略下，小车能够保持自身的平衡。
这三种运动方式与控制策略如下所述：（1）静止：如果车身重心位于电机轴心线的正上方，则小车将保持平衡静止状态，不需要做任何控制。
（2）前倾：如果车身重心靠前，车身会向前倾斜，则驱动车轮向前滚动，以保持小车平衡。
（3）后退：如果车身重心靠后，车身会向后倾斜，则驱动车轮向后滚动，以保持小车平衡。
因此，两轮自平衡小车平衡控制的基本思想是：通过测量，得知车身与垂线的之间的相对角度及角速度，控制电机转动的方向以及输出力矩的大小，以此来保持小车自身的动态平衡[1]。
二、两轮自平衡小车系统的模型与分析1.小车的物理模型为了方便两轮自平衡小车系统的建模，将其物理结构简化，小车可绕x轴在yoz平面旋转也可在xoy平面中沿着任意方向平移和旋转。
为简化计算，假设驱动电机转子转轴与两轮圆心的连线完全重合，电机安装于可俯仰运动的小车车体上，但除了驱动电机外，不会对机器人的运动产生其他任何作用。
系统建模时以机器人的俯仰角和机器人的位置p（x，y）为系统输入量，以两个驱动电机的输出力矩为系统输出量，不考虑减速齿轮的配合误差及轴承的摩擦的影响。
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）
两轮机器人自平衡研究共37页
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。——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
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
自平衡两轮车
自平衡两轮车自平衡两轮车是一种基于动力学控制原理，能够自动保持平衡的交通工具。
它以其独特的设计和良好的操控性能，成为了现代城市交通中的一大亮点。
本文将从两个方面探讨自平衡两轮车的原理和应用。
一、原理自平衡两轮车的原理基于动力学控制。
它内部集成了多个传感器，如陀螺仪、加速度计和倾斜传感器等，用于感知车体的倾斜角度和加速度等数据。
基于这些数据，自平衡两轮车通过自动调整电机的力矩大小和方向，从而实现对车体平衡的控制。
在车体倾斜时，陀螺仪和加速度计会检测到倾斜角度和加速度等信息，并将这些信息传递给控制系统。
控制系统会根据这些信息计算出所需的力矩，并通过电机来实现平衡。
当车体发生倾斜时，电机会根据计算出的力矩，产生相应的力，使得车体恢复平衡。
此外，倾斜传感器在自平衡两轮车的平衡过程中起到了非常重要的作用。
倾斜传感器能够准确地检测到车体的倾斜程度，并将这些数据传递给控制系统。
控制系统根据倾斜传感器的数据，计算出平衡所需的力矩，并通过电机来实现车体的平衡控制。
二、应用自平衡两轮车具有很广泛的应用领域。
首先，它在个人出行方面有着巨大的潜力。
由于自平衡两轮车体积小、操控灵活，适合在城市中作为短途出行的选择。
它不受拥堵的限制，可以轻松穿行于人流和车流之间，同时又不会对环境造成过大的破坏。
此外，在物流配送领域，自平衡两轮车也有着广泛的应用前景。
配送行业对于效率和速度有着较高的要求，而自平衡两轮车的操控性能使得它非常适合作为快递员的代步工具。
快递员可以通过自平衡两轮车快速穿梭于城市中，快速完成配送任务，提高配送效率。
此外，自平衡两轮车还可以应用于旅游和娱乐领域。
在旅游景区，游客可以通过租用自平衡两轮车来方便地游览景点，既减轻了体力负担，又能够充分欣赏风景。
在娱乐场所，自平衡两轮车也成为一种时尚的娱乐设备，吸引了越来越多的年轻人参与。
总之，自平衡两轮车以其独特的设计和良好的操控性能，在现代城市交通中扮演着重要的角色。
它的原理基于动力学控制，并集成了多种传感器，用于实现对车体的平衡控制。
两轮自平衡车的研究
【关键词 】ＡＴｍｅｇａ１６；加速度传感器；陀螺仪 ；ＰＩＤ算法；卡 尔曼滤波
１ 引言
两 轮 自平衡 车两 轮 共 轴 、独 立 驱 动 、车 身 中 心 位 于 车轮 轴 上 方 ，通过 电机运 动保 持 车身 平衡 。由于 特殊 的结构 ，其 适应 地 形变 化 能 力 强 ，运动 灵活 ，可 以胜任 一 些复 杂环 境 里 的工作 。从研 究 意 义 上 看 ， 自平衡 车 系统 是一 个集 外 界感 知 、动态 平 衡 决策 与规 划 、 平 衡 控制 与执 行 等多 种功 能于 一体 的综 合 复杂 系统 。
两 轮 平 衡 车 通过 姿态 检 测 系统 来 实 时 检 测 车 身 姿 态及 运 动状 态 ， 并根 据 姿态 信息 对 小车 进行 控制 。因此 ，对 于 两轮 自平 衡 车来 说 ， 能够 精确 并 稳定 的 检测 当前 车 身倾 角 ，是 实现 有效 控制 的关键 所 在 。 目前 有多 重技 术 可 以实现 倾 角检 测 ，但 是实 时性 ，经 济 性还 不 够 理想 。采用 ＭＥＭＳ陀螺 仪和 加速 度 计等 惯性 传 感器 构 成 的姿态 检 测 系 统可 以实 时 、准 确 的检测 两轮 自平衡 车 的倾 角 。两轮 自平衡 车 属 于本 质 不稳 定系 统 ， 因此其 实 现 的平衡 是 一种 动态 平 衡 。传 统 的ＰＩＤ控 制 在 各类 工 业 场合 有 着 广泛 的 应用 ，完 全可 以满 足两 轮 自 平 衡 车 的控制 系 统要 求 。
浅论小型两轮自平衡电动车系统的设计与研究论文
浅论小型两轮自平衡电动车系统的设计与研究论文浅论小型两轮自平衡电动车系统的设计与研究论文小型两轮自平衡电动车控制方案，是使用姿态检测传感器来检测小车姿态的变化，运用合适的运动控制原理，驱动电机进行相应的调整，以保持小车平衡、但在实际设计中，加速度计检测出来的数据易受小车运动速度影响，陀螺仪检测出来的数据易受温度影响，因此需要采用滤波器对其进行滤波、通过对卡尔曼滤波器与互补滤波器这两种不同的滤波器进行比较，在基于飞思卡尔公司Kinetis K60的小型两轮自平衡电动车姿态稳定系统上加以验证，从而得出在实际设计中卡尔曼滤波器优于互补滤波器。
1控制系统分析与设计1.1系统分析小型两轮自平衡电动车系统主要由姿态传感器,CMOS摄像头传感器、矢量光电编码器,Kinetis K60单片机、直流减速电泪L及其驱动电路组成。
陀螺仪与加速度计的数据经过AD转换后传至控制器中，通过滤波器进行滤波后，获得较为精确的角速度和角加速度数据，从而计算得到角度偏差;摄像头采集道路信息，进行路径识别，使小车沿一定路径J决速运行光电编码器采集车轮速度，通过负反馈控制小车速度，三者数据融合后，再通过PID算法输出控制量，生成PWM从而控制电机运行。
1.2矢量编码器小车进行角度姿态控制时会产生两个自由度上的偏移，除用测量角度的加速度计和陀螺仪外，还需要增加测量两轮车位移的传感器，这里选用可以测量正负位移的欧姆龙500线矢量编码器(A日相光电编码器)。
2角度滤波算法分析从加速度计采集到的角度信息存在高频干扰，输出电压，矢量编码器控制电路会在实际反映倾角的电压值附近波动、要从陀螺仪获得角度信息，需要经过积分运算，而从单片机采集的角速度信息存在误差和温度偏移、这个误差会随时间延长而积累，最终导致输出信号偏离真实角度信号、因此，下面介绍两种滤波法，对两种传感器所获得信息进行校正。
2.1互补滤波器通过加速度计和陀螺仪积分获得的`两种与角度相关的信息，利用加速度计修正陀螺仪的积分输出，利用陀螺仪修正加速度计的高频干扰。
两轮机器人自平衡研究
一、自平衡电动车 二、两轮自平衡机器人 三、加速度计 四、陀螺仪 五、两轮机器人姿态检测 六、卡尔曼滤波 七、两轮自平衡机器人发展前景
一、自平衡车电动车
自平衡电动车是一种电力驱动、 具有自我平衡能力的交通工具. 在社会飞速发展的今天,交通 拥堵也成了最终现象,一款时 尚的电动车,让您享受穿梭于 闹市的轻松与快乐.自平衡电 动车代替自行车和电动车作为 交通工具是时尚潮流的发展. 自平衡电动车的兴起,即将引 发一场新的交通革命.
五、两轮机器人姿态检测
两轮自平衡机器人所有的运动控制方式都以平衡控 制为前提.平衡控制是两轮自平衡机器人运动的关键. 两轮自平衡机器人在平衡控制的基础上,又对机器人 的轨迹跟踪控制进行了研究.提出了预测控制的轨迹 跟踪控制方法,对非完整轮式移动机器人的轨迹跟踪 问题进行了研究.预测控制在系统模型的基础上采用 先预测后控制,滚动优化,反馈校正的方式进行控制, 对位姿误差与轨迹误差进行估计,实现了对预定轨迹 的准确跟踪.
抽样卡尔曼滤波器UKF
为了确定机器人的平衡的运动姿态,设计了多惯性传 感器三轴姿态检测系统来测量机器人的三个轴向的 偏转角度与角速度.针对机器人不同位姿状态的动态 特性和非线性程度,在考虑了姿态检测系统的误差的 基础上,通过对低成本的惯性传感器的误差补偿,提出 了利用Unscented卡尔曼滤波UKF算法设计了基于四 元数的姿态估计器,得到了机器人姿态的最优估计,提 高了机器人控制的精度,实现了机器人的平衡姿态控 制与局部导航定位.
1、加速度计基本部件
加速度计由检测质量也称敏感质量、支承、电位器、 弹簧、阻尼器和壳体组成.检测质量受支承的约束只 能沿一条轴线移动,这个轴常称为输入轴或敏感轴.如 下图所示：
2、加速度计基本原理
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
两轮自平衡智能车直立行走研究
1.1 倒立摆模型分析 本课题自主制作的两轮自平衡智能车如图 1所示。
两 轮 自 平 衡 智 能 车 型 属 于 倒 立 摆 模 型 ，在 没 有 施 加
外力的情况下，智能车在前进过程中车身无法直立。
文中从首先从动力学的角度分析了两轮自平衡
智 能 车 自 身 无 法 直 立 的 原 因 ，以 及 两 轮 自 平 衡 智 能
车 直 立 控 制 中 需 要 用 到 的 关 键 参 数 ，随 后 就 陀 螺 仪
加 速 度 计 安 装 位 置 的 不 同 ，对 智 能 车 自 平 衡 控 制 造
成 的 影 响 进 行 实 验 分 析 ，最 终 而 实 现 两 轮 自 平 衡 智
能车直立行走。 收稿日期：2016-09-13
稿件编号：201609132
Байду номын сангаас
中图分类号：TP242.6
文献标识码：A
文章编号：1674-6236（2017）22-0145-04
Research on balance control of two⁃wheeled self⁃balancing vehicle
GONG Lin⁃qiang，YANG Ping，SHEN Tao，ZHENG Hai⁃xia，ZHANG Shu⁃zhen （College of Mechano⁃Electronic Engineering，Lanzhou Univ. of Tech. ，Lanzhou 730050，China）
图 1 智能车实体
作者简介：龚林强（1990—），男，甘肃岷县人，硕士研究生。研究方向:特殊环境下的机器人开发。
-145-
《电子设计工程》2017 年第 22 期
文中以智能车车身与地面角夹角接近 90°且能 够 平 稳 前 进 的 状 态 作 为 智 能 车 平 衡 状 态 ，在 运 动 状 态下，将智能车力学模型简化为倒立摆模型，如图 2 （a）所示。
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。
两轮自平衡机器人的研究
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。
传感器技术：传感器是两轮自平衡机器人感知环境和自身状态的关键。
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。
两轮自平衡机器人的研究
两轮自平衡机器人的研究两轮自平衡机器人作为一种具有挑战性的研究课题，已经吸引了国内外众多科研机构和企业的。
目前，研究者们在理论建模、控制算法设计、传感器融合等方面取得了显著的成果。
然而，在实际应用和商业化方面，两轮自平衡机器人的发展仍面临诸多挑战，如稳定性、续航能力、环境适应性等方面的问题。
两轮自平衡机器人的技术原理主要涉及动态控制算法、传感器技术和机械结构设计。
动态控制算法是实现机器人平衡的关键，包括基于模型的控制和无模型的控制。
传感器技术主要包括加速度计、陀螺仪和编码器等，用于实时监测机器人的姿态和位置信息。
机械结构设计则关系到机器人的稳定性和灵活性，涉及到轮子、电机、支架等多个部分。
两轮自平衡机器人具有广泛的应用前景，如机器人竞赛、医疗康复、建筑施工等。
在机器人竞赛方面，两轮自平衡机器人是各类竞赛的重要项目之一，涉及到机器人的速度、稳定性、灵活性等多个方面。
在医疗康复领域，两轮自平衡机器人可以辅助病人进行康复训练，提高康复效果。
在建筑施工领域，两轮自平衡机器人可以用于环境监测、地形勘测等方面。
随着科技的不断发展，两轮自平衡机器人的研究方向也将更加多元化。
未来，两轮自平衡机器人将朝着智能化、自主化和模块化的方向发展。
智能化将使得机器人具备更强的环境感知和决策能力，自主化则将提高机器人在复杂环境下的自适应能力，而模块化将为机器人的设计和应用提供更大的灵活性。
随着5G技术的普及，两轮自平衡机器人的远程控制和集群控制也将成为未来的研究热点。
两轮自平衡机器人作为机器人技术的一个重要分支，具有广泛的应用前景和挑战性。
本文对两轮自平衡机器人的研究现状、技术原理、应用领域及未来发展趋势进行了全面梳理。
目前，两轮自平衡机器人的研究已经取得了诸多成果，但仍存在诸多挑战性问题需要解决。
未来，研究者们需要不断探索新的理论和方法，以推动两轮自平衡机器人的发展，从而实现机器人在更多领域的应用价值。
在当今的高科技时代，智能机器人已经成为了人们的焦点。
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。
两轮机器人自平衡研究
2、陀螺仪的基本部件
• 陀螺转子(常采用同步电机、磁滞电机、三相交流 电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转， 并见其转速近似为常值) • 内、外框架(或称内、外环，它是使陀螺自转轴获 得所需角转动自由度的结构) • 附件(是指力矩马达、信号传感器等)
3、陀螺仪的特性
• 定轴性：当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何 外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在惯 性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定 的方向；同时反抗任何改变转子轴向的力量。
两轮自平衡机器人控制
（1）机器人速度控制： 车模运行速度是通过控制车轮速度实现的 （2）机器人方向控制 ①道路电磁中心线的偏差检测 ②电机差动控制 （3）车模倾角测量 ①加速度传感器 ②角速度传感器-陀螺仪
三、加速度计（accelerometer）
测量运载体线加速度的仪表。测量飞机过载的加速 度计是最早获得应用的飞机仪表之一。飞机上还常 用加速度计来监控发动机故障和飞机结构的疲劳损 伤情况。在各类飞行器的飞行试验中，加速度计是 研究飞行器颤振和疲劳寿命的重要工具。在飞行控 制系统中，加速度计是重要的动态特性校正元件。 在惯性导航系统中，高精度的加速度计是最基本的 敏感元件之一。
就是这样，卡尔曼滤波器就不断的把covariance递归， 从而估算出最优的温度值。他运行的很快，而且它 只保留了上一时刻的covariance。上面的Kg，就是卡 尔曼增益（Kalman Gain）。他可以随不同的时刻而 改变他自己的值，是不是很神奇！
4、卡尔曼滤波器的五大公式
X(k|k-1)=A X(k-1|k-1)+B U(k) ……….. (1)
3、倒立摆系统Inverted Pendulum System
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。右 图为倒立摆模型：
基于双轮自平衡技术的电动轮椅设计与控制研究
基于双轮自平衡技术的电动轮椅设计与控制研究近年来，电动轮椅成为了现代化社会不可或缺的交通工具之一，为残疾人以及行动不方便的人们提供了方便与舒适的代步方式，减轻了他们的生活负担。
然而，传统的电动轮椅存在一些问题，例如操作不便、机动性差等。
基于这些问题，本文将讨论基于双轮自平衡技术的电动轮椅设计与控制研究，以解决传统电动轮椅所存在的问题，并提高其使用体验。
一、双轮自平衡技术介绍双轮自平衡技术也被称为倒立摆技术，它是一种可以实现自主平衡的技术。
它通过检测摆体倾斜的方向，通过电机的控制，使摆体重心向倾斜方向运动，达到了平衡的目的。
在电动轮椅中，通过将双轮自平衡技术应用于轮椅设计，可以使轮椅更加灵活稳定。
二、双轮自平衡电动轮椅的设计1.材料选择：轮椅的基本框架应该采用坚固的材料，如钢铁材料，以保证其可靠性。
同时，座椅和背部垫需要选用高弹性的材料，使得用户可以更加舒适地坐在轮椅上。
2.双轮自平衡技术的应用：双轮自平衡电动轮椅主要通过倒立摆技术来实现平衡功能。
轮椅底座的安装位置应该与倒立摆控制器相对应，轮椅的整个平衡系统应该一体化设计，才能满足基于双轮自平衡技术的电动轮椅的要求。
3.轮椅的控制系统设计基于双轮自平衡技术的电动轮椅控制系统，应该配备适当的控制器、传感器、电机等设备。
其中，传感器用于检测轮椅的速度、倾斜角度等参数，控制器则可以实时的根据传感器所检测到的参数进行调整，并进行相应的判断处理，控制电机的转速和转向，从而实现平衡控制。
在控制器的框架中，应该考虑到方便控制，实现人性化设计。
三、基于双轮自平衡技术的电动轮椅的控制策略1.平稳启动：在启动时，检测到坡度斜度后，轮椅应该缓慢的提速，和一些其他的普通电动轮椅一样，基于双轮自平衡技术的电动轮椅不应该过快的提速，否则容易造成用户摔倒，令人受伤。
2.平衡控制基于双轮自平衡技术的电动轮椅，其核心就在于平衡控制。
轮椅应该自适应地根据传感器所检测到的用户体重、体型等信息，来实时的进行平衡的控制，保证用户在行驶的过程中能够保持舒适、稳定的状态。
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ABSTRACTTwo-wheeled self-balancing electric vehicle is a new type of transport,and itis not like an electric bicycle and motorcycle whose wheels fixed in the front andrear,instead of using the way fixed side by side,so this structure will bring a newdriving feelings.It depends on two parallel wheels to support the bodywork.Thebattery provides power,and two brushless DC motors drive the vehicle moving.The multi-processor,attitude sensing system,control algorithm and machine ofthe bodywork cooperate to control the system’s balance.The drivers can operatethe vehicle by changing their center of gravity to achieve the vehicle start,acceleration,deceleration,stop and other activities.In this dissertation,home and abroad,the current developing status oftwo-wheeled self-balancing electric vehicle has been summarized and proposedthe key technical issues which two-wheeled self-balancing electric vehicleinvolved in the design process.In this dissertation,two-wheeled self-balancingelectric vehicle as the research object,its design method has been introduced indetail.The traditional vertical two-wheeled self-balancing electric vehicles havesome safety and comfort deficiencies,so a new type of mechanical structurewhich will make the vehicles more secure and reduce the drivers’fatigue aftertheir long-term driving has been designed.Two-wheeled self-balancing electricvehicle works with multi-processor hardware model,through design anddebugging,it has been met the control requirements.In order to determine theelectric vehicle’s motion attitude,with silicon micro-gyroscopes andaccelerometers,attitude sensing sensor system has been designed.According tothe sensor error model,this dissertation put forward a method of Kalman filteroptimal estimation of the electric vehicle body posture,which could improve thevehicle’s control precision.
摘要两轮自平衡电动车是一种新型的交通工具，它一改电动自行车和摩托车车轮前后排列方式，而是采用两轮并排固定的方式，这种结构将给人们带来一种全新的驾驭感受。两轮自平衡电动车仅靠两个轮子支撑车体，采用蓄电池提供动力，由两个直流无刷电动机驱动，采用多处理器、姿态感知系统、控制算法及车体机械装置共同协调控制车体的平衡，仅靠人体重心的改变便可以实现车辆的启动、加速、减速、停止等动作。本文对国内外的两轮自平衡电动车的研究现状加以总结，并提出两轮自平衡电动车的设计过程中所涉及到的关键技术问题。本文以两轮自平衡电动车为研究对象，对其设计方法进行了详细地介绍。针对传统的立式两轮自平衡电动车在安全性及舒适性方面的不足，设计出了一种新式的机械结构，使得两轮自平衡电动车更具安全性，并且缓解了由于长时间驾驶给驾驶者带来的疲劳感。两轮自平衡电动车采用多处理器协同工作的硬件模式，通过对其硬件系统进行设计与调试，满足了电动车系统的控制要求。为了确定电动车运动姿态，设计了以硅微陀螺仪和加速计为传感器的姿态感知系统，并针对其传感器的误差模型，提出了利用卡尔曼滤波（Kalman filter）对电动车车体姿态进行最优估计的方法，此种方法可提高两轮自平衡电动车的控制精度。两轮自平衡电动车的所有运动方式都以平衡控制为前提，因此，平衡控制是两轮自平衡电动车运动中的关键。本文利用拉格朗日方程建立了两轮自平衡电动车的动力学模型，并在此基础上设计了基于线性二次型最优调节器(LQR)的自平衡控制器，以此实现电动车的平衡控制。针对两轮自平衡电动车的控制系统响应快、任务多等特点，设计出了基于μC/OS-II操作系统的控制系统软件，使得系统的实时性得到了很大程度地提高。关键词：自平衡；电动车；多处理器；直流无刷电动机
目录第1章绪论...........................................................................................................1?1.1课题的背景及意义..................................................................................1?1.2两轮自平衡电动车的国内外发展现状..................................................2?1.3两轮自平衡电动车的关键技术..............................................................6?1.3.1系统设计.......................................................................................6?1.3.2数学建模.......................................................................................6?1.3.3自平衡控制算法...........................................................................6?1.3.4姿态感知系统...............................................................................7?1.4本文的主要研究内容..............................................................................7?第2章两轮自平衡电动车机械结构与硬件系统设计.......................................8?2.1引言..........................................................................................................8?2.2机械结构设计..........................................................................................8?2.3系统硬件设计........................................................................................10?2.3.1主控制器.....................................................................................11?2.3.2供电电路.....................................................................................14?2.3.3 A/D转换电路..............................................................................16?2.3.4 RS-232电平转换电路.................................................................17?2.3.5数码管显示电路.........................................................................17?2.3.6方向盘数据读取电路.................................................................18?2.3.7无线数据传输模块.....................................................................20?2.4本章小结................................................................................................20?第3章双直流无刷电动机驱动器设计.............................................................21?3.1引言........................................................................................................21?3.2直流无刷电动机简介............................................................................21?3.2.1直流无刷电动机的结构.............................................................21?3.2.2直流无刷电动机的驱动方法.....................................................24?