自平衡小车控制方法研究及实现

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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。

自动跟随平衡小车的设计

自动跟随平衡小车的设计1 绪论1.1 研究背景与意义1.1.1 研究背景当今时代是产业智能化的时代，新兴的信息技术正在快速应用于各行各业，现代科学技术已经成为了产业变革最主要的推动力。

根据《中国制造2025》计划所述，我国将加大力度对智能自动化工程、智能交互机器人、智能交通管理、智能电器、智能家居控制等产业进行引领和推动。

此外，还应根据消费需求的动态感知，从研发、制造和产业组织模式等方面开发一系列新的制造模式。

2018年12月底，全国工业和信息化部部署2019年工作，其涉及智能制造、信息消费、5G等领域。

智能制造业的兴起和引起人们的重视，得益于人工智能的研究和发展，其可以理解为人工智能系统的前沿技术。

人机一体化智能系统是智能化技术早期的应用探索之一，正在逐步发展成为一种混合智能技术。

人机一体化智能系统的智能化应用主要体现在智能机械上，而对于人们的日常生活来说，智能化在在智能机器人的应用上体现得最为明显。

在工业生产上，很多领域通过智能化装置的应用，实现了手动控制与自动控制的结合，节省了人力，降低了物料损耗，提升了生产效率和经济性。

随着智能化在不同产业的生成过程中应用愈发广泛，其承担的作用也越来越重要。

1.1.2 研究意义1.推进双轮自平衡车的智能化研究自动跟随技术已经经历了很长时间的发展。

早在很多年以前，国内外的研究人员就开始了对自动跟随技术具体应用的探索，设计出了自主跟随四轮小车，自主跟随无人机等作品。

由于那个时期的自平衡车的相关技术还不成熟，导致很少有自动跟随技术在平衡车上应用。

在性质上，双轮自平衡车从属于智能机器人的发展范畴，在移动载具方面，它有所占空间小、驾驶灵活、容易停车且便于携带等特点，非常适合短距离的代步和应用于娱乐活动。

但由于自平衡车在交通复杂的环境下，其安全性能并不稳定，并且对驾驶者的安全防护措施比较欠缺，导致自平衡车的交通事故发生频繁，事故损伤普遍偏重，致使现阶段很多城市都出台法令限制平衡车通行；另一方面，在平衡车跟随功能方面，小米正在成为先驱者，虽然小米平衡车的性能和适用范围还有很多不足之处，但自动跟随相关研究方向的正确性已被证明，这也将成为未来服务型机器人种类中特殊的一面。

基于单片机的自平衡小车的设计与实现-本科毕业论文

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广西师范大学漓江学院 2015 届本科生毕业论文（设计）
基于单片机的自平衡小车的设计与实现
专业：电子信息工程学生姓名：何建安
内容摘要
学号：201113007619 指导老师姓名：丘森辉
本次设计的硬系统主要由供电电源模块、主控系统模块、直流电机驱动模块、路面检测模块和液晶显示模块几个部分组成。供电电源是整个系统的支持者，它给整个设计系统提供能量，使系统能够运转起来；主控系统是整个系统的控制者，它指挥整个系统的运行，是整个系统的大脑；整个系统运行的动力是直流电机驱动模块；路面检测模块则相当于整个系统的眼睛，它能够准确地检测的路面的情况，并将路面的情况反馈给主控系统；液晶显示模块是将整个系统的运行情况显示出来。
关键字： 80C51 单片机光电外红反射循迹金属探测器电动小
2.3.1 车体的比较与选择...................................................................................... 5 2.3.2 控制系统的比较与选择.............................................................................. 6 2.3.3 电机驱动的比较与选择.............................................................................. 7 2.3.4 电源及稳压模块的比较与选择.................................................................. 7 2.3.5 调速模块的比较与选择.............................................................................. 7 2.3.6 显示与提示音的选择.................................................................................. 8 2.3.7 平衡槽的制作............................................................................................... 8 2.3.8 系统框图....................................................................................................... 9 2.3.9 最终方案..................................................................................................... 10 第三章系统硬件设计........................................................................................................ 11 3.1 STC12C5A60S2 单片机硬件结构.......................................................................... 11 3.2 供电电源模块........................................................................................................ 12 3.3 电机驱动的设计................................................................................................... 12 3.4 路面检测模块设计................................................................................................ 14 3.5 测速模块................................................................................................................ 15 3.6 显示电路设计........................................................................................................ 15 3.7 寻迹原理................................................................................................................ 16 3.8 金属探测仪............................................................................................................ 17 第四章软件设计................................................................................................................ 18 4.1 循迹功能软件设计................................................................................................ 18 4.2 金属探测功能软件设计....................................................................................... 18 4.3 LCD1602 液晶显示软件设计................................................................................ 18 4.4 主程序流程图....................................................................................................... 19 第五章测试数据、测试结果分析及结论........................................................................ 20 5.1 测试数据................................................................................................................ 20 5.2 测试结果分析........................................................................................................ 21 第六章设计总结................................................................................................................ 21 6.1 对设计的小结....................................................................................................... 21 6.2 设计收获体会....................................................................................................... 21 6.3 对设计的进一步完善提出意见或建................................................................... 22 致谢...................................................................................................................................... 22

两轮自平衡小车的模糊滑模控制研究的开题报告

两轮自平衡小车的模糊滑模控制研究的开题报告第一部分：研究背景随着科技的迅速发展，人们对机器人的需求也越来越大。

而两轮自平衡小车作为其中一种机器人，被广泛应用于各个领域，如军事、安防、医疗、物流等。

在这些领域中，自平衡小车需要能够稳定运行，并具有高精度和高速度的控制能力。

因此，如何实现自平衡小车的精确控制成为当前的研究热点之一。

在自平衡小车控制领域，目前流行的控制方法包括PID控制、模糊控制、神经网络控制等。

其中，模糊控制是一种以模糊集合和模糊规则为基础的控制方法，具有适应性强、灵活性高、在环境变化时能有效地应对等优点。

而滑模控制则是一种对系统动态特性强鲁棒性的控制方法。

第二部分：研究目的与意义本研究旨在结合模糊控制和滑模控制两种控制方法，研究两轮自平衡小车的模糊滑模控制。

通过建立自平衡小车的数学模型，设计模糊滑模控制器，并在MATLAB/Simulink中进行仿真实验，验证控制算法的有效性和鲁棒性。

本研究的意义在于探究一种新的自平衡小车控制方法，以提高自平衡小车的运动精度和鲁棒性，并为未来进一步研究奠定基础。

第三部分：研究内容和方案本研究的研究内容和方案分为以下几个步骤：1. 自平衡小车动力学建模通过对两轮自平衡小车的动力学特性进行分析，建立自平衡小车的运动方程，同时对系统进行状态空间描述，得到系统状态方程。

2. 模糊滑模控制设计基于自平衡小车的数学模型，设计模糊滑模控制器。

其中，模糊控制器通过分析系统输出与期望输出之间的误差，引入模糊规则进行调节；滑模控制器则通过引入滑模面使系统在特定区域内运动，并消除外部扰动的影响。

3. MATLAB/Simulink仿真实验将控制算法输出的控制信号和系统状态方程输入到MATLAB/Simulink模拟平台中，进行仿真实验。

在仿真过程中，模拟外部扰动和干扰，以验证控制算法的鲁棒性和有效性。

第四部分：预期成果通过本研究的探究，预计能够得到以下预期成果：1. 建立两轮自平衡小车的数学模型，并验证模型的准确性；2. 设计模糊滑模控制器，并验证控制算法在控制小车运动中的有效性、鲁棒性和适应性；3. 通过仿真实验，验证控制算法的实用性和优越性。

两轮自平衡小车姿态平衡控制系统的研究

图１系统结构框图
图２ＭＰＵ一６０５０与单片机接线圈
Ｊ
ｙ
二
０
‘ 角度一时阊曲线
～
ｒ
／
１
打
（ｂ）角速度一时问曲线
图３．小车受力分析图
图４两轮自平衡小车平衡状态仿真曲线
嘉０Ｓ（ ∞ ））］＝厂ｖ（ｆ）一
（６）
感器的数位运动处理硬件加速引擎，由主要Ｉ２Ｃ端口以单一数据流式（６）代人式（４），得到小车的运动方程为：的形式，向应用端输出完整的９轴融合演算技术。ＭＰＵ－６０５０的角速棚）ｄＺｘ（ｔ）度全格感测范围为 ±２５０、 ±５００、 ±１０００与 ±２０００。／ｓｅｃ（ｄｐｓ），可准＋（ｍＬｃｏｓ啪）㈨）（７）确追踪快速慢速动作，并且用户可程式控制。加速度全格感测范围式（７）的平衡条件就是电机的驱动力＿厂（ｆ）需要大于或等于小车为 ±２ｇ、 ±４ｇ、 ±８ｇ与 ±１６ｇ。产品数据传输可透过最高至４００ｋＨＺ重力水平分量，即满足式（８），如下：的Ｉ２Ｃ，与单片机接线图见图２。
数控技术
１Ｉｒ致＿字技术鬲。
两轮自平衡小车姿态平衡控制系统的研究
卢秀和李海铭薛鹏魏巍张斌李建波
（长春工业大学吉林长春１３００００）

基于PID控制的两轮自平衡小车的研究

2021.14科学技术创新基于PID 控制的两轮自平衡小车的研究李志豪司永康屈志扬李建军李高展曲艺晗（河南科技大学机电工程学院，河南洛阳471003）1概述近年来，两轮式自平衡小车的研究在美国、日本、等国都得到了迅速发展。

平衡车能够通过自身的整体协调性操作平衡，而且体积小，容易上手，成为越来越多人的一种代步工具。

平衡车的动力来源是锂电池，没有碳排放，是一种绿色出行方式，能很好的保护环境。

目前，平衡车已经进入越来越多人的视野之中，我们研究的目的是使小车能在正常的环境下正常前进和后退，保证正常的直立运行。

2系统总体结构设计该平衡小车系统采用Arduino 单片机为核心，GY-85九轴IMU 传感器模块负责采集平衡小车的姿态，并将姿态信息传输回Arduino 控制器，控制器得到平衡小车的实时角速度和角度以及小车车轮当前的速度，综合计算出需要输出的控制信号进而准确控制平衡小车两个车轮的直流电动机[1]，使平衡小车保持平衡，同时将平衡小车系统所采集到的角度、角速度、车轮速度等通过蓝牙控制模块传送至手机app 上实时显示，以及在小车硬件显示屏上也能显示。

系统总体结构如图1所示。

图1平衡小车系统3系统电路设计该平衡小车系统分别由电源降压模块AMS1117、Arduinouno 、GY-85姿态传感器、电机驱动模块、电机及BT08b 蓝牙控制模块四部分组成,小车的系统集成电路结构如图2。

12v 的电源经过降压模块下降至5v ，为Arduino 控制板提供电源,GY-85读取小车姿态数据再传到Arduino 控制器;电机编码器获得一台电机的转速再通过传感器反馈到Arduino 控制板,Arduino 控制板根据传感器所采集的信息,通过PID 控制算法将PWM 信号输出传至电机驱动模块[2]与此同时，控制器将传感器采集到的小车姿态运动信息通过BT08B 蓝牙模块传送到手机app 上，并且能在显示屏上显示出来。

3.1ArduinoUNO 控制板ArduinoUNO 是基于ATmega328P 的一款微控制器板[3]。

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。

自平衡小车平衡原理

自平衡小车平衡原理自平衡小车作为一种近年来新兴的出行工具，已经在城市街头成为了一道亮丽的风景线。

然而，许多人对自平衡小车的原理还比较模糊，不了解它为什么能够如此稳定地行驶。

本文将从物理学原理的角度，对自平衡小车的平衡原理进行解析。

自平衡小车的平衡原理源于物理学中的两个重要定理：牛顿第二定律和角动量守恒定律。

首先，我们来看牛顿第二定律。

牛顿第二定律是物理学中的一条基本定律，它指出一个物体所受的合力等于这个物体的质量和加速度的乘积。

对于自平衡小车来说，它所受的合力其实就是重力和地面反作用力的合力，这个合力可以表示为：F = Mg - Fg其中，M是小车的质量，g是重力加速度，Fg是地面反作用力。

如果小车前后和左右两个方向所受的合力相等，那么小车就处于平衡状态。

因此，我们需要确保小车左右两个方向所受的合力相等，这样才能让小车平稳地行驶。

具体实现的方法是通过电机控制小车前后倾斜的角度，使得小车前后所受的重力分量相等，从而达到平衡状态。

其次，我们来看角动量守恒定律。

角动量守恒定律是指当一个物体受到外力作用时，如果它的外力矩为零，那么它的角动量将保持不变。

在自平衡小车中，小车在行驶过程中需要不停地偏转方向，才能实现转弯和直行等操作。

这些方向变化的动作会给小车带来角动量，如果不做任何处理，这些角动量会让小车失去平衡，从而摔倒。

为了避免这种情况的发生，自平衡小车需要通过机械陀螺的原理来保持平衡。

机械陀螺的基本原理是通过快速旋转的转子，使得系统的角动量保持恒定。

类比到自平衡小车中，小车是通过快速旋转的电机和陀螺轮来保持平衡。

当小车受到惯性力的作用时，陀螺轮也会受到相反的惯性力，这种惯性力可以帮助小车保持平衡。

综上所述，自平衡小车的平衡原理基于牛顿第二定律和角动量守恒定律。

通过控制电机使得小车前后倾斜的角度相等，实现小车的平衡。

通过快速旋转的电机和陀螺轮来保持平衡，避免因为方向变化而产生的角动量，以此保证自平衡小车能够在不倒的情况下平稳地行驶。

嵌入式平衡小车实训报告

一、引言随着科技的发展，嵌入式系统在各个领域的应用越来越广泛。

平衡小车作为嵌入式系统的一个典型应用，具有很高的实用价值和研究价值。

本实训报告将详细阐述平衡小车的原理、硬件设计、软件设计以及调试过程。

二、平衡小车原理平衡小车是一种能够自主保持平衡的智能机器人，其核心原理是利用PID控制算法和陀螺仪传感器。

当小车发生倾斜时，陀螺仪会检测到倾斜角度，通过PID算法计算出电机驱动的PWM信号，从而调整电机转速，使小车恢复平衡。

三、硬件设计1. 主控芯片：选用STM32F103C8T6作为主控芯片，该芯片具有丰富的片上资源，性能稳定。

2. 传感器：选用MPU6050六轴加速度陀螺仪，用于检测小车的倾斜角度。

3. 电机驱动模块：选用DRV8833电机驱动模块，用于驱动直流减速电机。

4. 电机：选用MG315减速电机，具有较大的扭矩和转速。

5. 电源模块：选用DC-DC转换模块，将12V电源转换为5V电源，为各个模块供电。

6. PCB板：设计PCB板，将各个模块焊接在板上，确保电路连接可靠。

四、软件设计1. PID控制算法：根据平衡小车的需求，设计PID控制算法，包括比例、积分和微分三个环节。

2. 陀螺仪数据读取：编写程序读取MPU6050传感器的数据，包括加速度、角速度和倾斜角度。

3. 电机驱动控制：根据PID算法计算出的PWM信号，控制DRV8833电机驱动模块，驱动MG315减速电机。

4. 主程序设计：编写主程序，实现数据读取、PID算法计算、电机驱动控制等功能。

五、调试过程1. 硬件调试：检查各个模块的连接是否正确，确保电路连接可靠。

2. 软件调试：编写程序，实现数据读取、PID算法计算、电机驱动控制等功能。

3. 平衡调试：调整PID参数，使小车在倾斜时能够快速恢复平衡。

4. 性能优化：对程序进行优化，提高小车的响应速度和稳定性。

六、实验结果与分析1. 实验结果：通过调整PID参数，使小车在倾斜时能够快速恢复平衡，表现出良好的动态性能。

平衡小车平衡原理介绍

平衡小车平衡原理介绍平衡小车是一种能够自主实现平衡的机器人车辆。

它的设计原理基于倒立摆控制理论和PID控制算法。

倒立摆是一个经典的控制系统问题，其中一个质点位于一个可以自由旋转的杆的末端，通过控制杆的旋转来使质点保持平衡。

平衡小车的设计就是将这个控制系统原理应用到一个小车上，通过控制小车的前后倾斜来保持平衡。

平衡小车的核心部件是陀螺仪和电机，陀螺仪用于检测小车的倾斜角度，电机用于控制小车的运动。

陀螺仪通常由一个旋转的发光二极管和一个光电传感器组成，当小车倾斜时，发光二极管的旋转速度会发生变化，光电传感器通过检测这个变化来确定小车的倾斜角度。

根据陀螺仪检测到的倾斜角度，控制系统会计算出需要施加在小车上的力矩，然后通过电机来施加这个力矩，使小车保持平衡。

PID控制算法是控制系统中常用的一种调节方法，它通过比较实际输出值和期望输出值的差距，计算出一个控制量来调节系统的输入，使输出尽量接近期望值。

在平衡小车中，PID控制算法根据陀螺仪检测到的倾斜角度来计算出需要施加在小车上的力矩。

计算过程中需要用到三个参数：比例增益（P）、积分时间（I）和微分时间（D）。

比例增益决定了控制量与误差的线性关系，积分时间决定了积分效果的持续时间，微分时间决定了微分效应对控制量的影响。

通过调节这些参数，可以优化控制系统的响应速度和稳定性。

平衡小车的控制系统通常采用闭环控制方式，即系统的输入受到输出的影响。

在控制过程中，控制系统会不断地检测小车的倾斜角度，计算出需要施加在小车上的力矩，并通过电机来实现这个力矩。

控制系统会不断地修正小车的倾斜角度，使其保持在一个稳定的范围内，并自动调节控制量来保持平衡。

然而，平衡小车的平衡原理并不代表它是完美无缺的。

由于存在各种系统误差和外界干扰，平衡小车仍然有可能失去平衡或者发生抖动。

为了提高平衡小车的性能，可以采用一些控制策略，如模糊控制、遗传算法等。

此外，还可以利用传感器反馈和滤波技术来降低系统噪声和干扰对控制系统造成的影响。

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。

平衡小车工作总结报告

平衡小车工作总结报告
近年来，平衡小车在科技领域得到了广泛的应用和发展。

作为一种智能机器人，平衡小车在工业生产、物流运输、医疗护理等领域发挥着重要作用。

在我们的工作中，我们对平衡小车的工作原理和性能进行了深入的研究和总结，现将工作总结报告如下：
一、工作原理。

平衡小车采用了先进的传感器和控制系统，通过对车身倾斜角度的实时监测和
控制，使小车能够保持平衡状态。

其中，陀螺仪、加速度计和编码器等传感器起到了至关重要的作用，能够准确地感知小车的姿态和运动状态，为控制系统提供必要的数据支持。

二、性能分析。

在对平衡小车的性能进行分析时，我们主要从稳定性、速度、负载能力和能耗
等方面进行了评估。

通过实验和测试，我们发现平衡小车在保持稳定状态的同时，能够实现灵活的转向和高速运动，具有较强的适应性和灵活性。

同时，小车的负载能力也得到了有效的提升，能够满足不同场景下的需求。

在能耗方面，我们采用了一系列的优化措施，有效降低了小车的能耗，提高了工作效率。

三、应用展望。

基于对平衡小车工作原理和性能的深入了解，我们对其未来的应用展望进行了
分析。

我们认为，平衡小车将在工业自动化、物流配送、医疗护理等领域发挥越来越重要的作用。

随着技术的不断进步和创新，平衡小车的性能将得到进一步提升，应用场景也将不断扩大，为人们的生产生活带来更多的便利和效益。

总的来说，平衡小车作为一种智能机器人，具有广阔的发展前景和应用空间。

我们将继续深入研究和探索，不断完善其工作性能和应用功能，为推动智能制造和智能物流发展做出更大的贡献。

小车运动控制实验报告(3篇)

第1篇一、实验目的本实验旨在研究小车运动速度的控制，分析影响小车运动速度的因素，并通过实验验证控制方法的有效性。

通过本实验，学生可以掌握以下知识：1. 了解小车运动的基本原理。

2. 掌握小车运动速度控制的基本方法。

3. 熟悉实验仪器的使用和数据处理方法。

4. 培养学生的实验操作能力和分析问题能力。

二、实验原理小车运动速度的控制主要依赖于驱动电机的转速。

通过改变电机转速，可以实现对小车运动速度的调节。

在本实验中，采用PWM（脉冲宽度调制）技术对电机转速进行控制。

PWM技术通过改变脉冲宽度来调整电机驱动电路中的平均电压，从而实现对电机转速的调节。

三、实验器材1. 小车平台2. 驱动电机3. 电机驱动电路4. PWM控制器5. 电流表6. 电压表7. 数据采集卡8. 计算机及实验软件四、实验步骤1. 搭建实验电路：按照实验电路图连接小车平台、驱动电机、电机驱动电路和PWM控制器。

2. 设置实验参数：通过计算机软件设置PWM控制器的参数，包括PWM频率、占空比等。

3. 启动实验：启动PWM控制器，观察小车的运动状态。

4. 数据采集：利用数据采集卡采集小车运动过程中的电流、电压等数据。

5. 分析数据：对采集到的数据进行处理和分析，研究小车运动速度与电机转速之间的关系。

五、实验结果与分析1. 实验结果：通过实验，我们得到了不同PWM占空比下小车的运动速度数据。

2. 数据分析：（1）当PWM占空比较小时，小车运动速度较慢；随着PWM占空比的增大，小车运动速度逐渐加快。

（2）当PWM占空比达到一定值后，小车运动速度趋于稳定，此时电机转速基本达到最大值。

（3）在小车运动过程中，电流和电压数据也呈现出一定的规律性变化。

六、结论1. 小车运动速度与PWM占空比呈正相关关系，PWM占空比越大，小车运动速度越快。

2. 通过调节PWM占空比，可以实现对小车运动速度的有效控制。

3. 本实验验证了PWM技术在电机转速控制方面的可行性，为实际工程应用提供了理论依据。

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]。

平衡小车平衡原理介绍

平衡原理一、平衡小车原理平衡小车就是通过两个电机运动下实现小车不倒下直立行走得多功能智能小车，在外力得推拉下,小车依然保持不倒下.这么一说可能还没有很直观得了解究竟什么就是平衡小车，不过这个平衡小车实现得原理其实就是在人们生活中得经验得来得.如果通过简单得练习,一般人可以通过自己得手指把木棒直立而不倒得放在指尖上,所以练习得时候，需要学会得两个条件:一就是放在指尖上可以移动，二就是通过眼睛观察木棒得倾斜角度与倾斜趋势（角速度）.通过手指得移动去抵消木棒倾斜得角度与趋势,使得木棒能直立不倒.这样得条件就是不可以缺一得，实际上加入这两个条件,控制过程中就就是负反馈机制.而世界上没有任何一个人可以蒙眼不瞧,就可以直立木棒得,因为没有眼睛得负反馈,就不知道笔得倾斜角度与趋势。

这整个过程可以用一个执行式表达：平衡小车也就是这样得过程,通过负反馈实现平衡.与上面保持木棒直立比较则相对简单，因为小车有两个轮子着地，车体只会在轮子滚动得方向上发生倾斜。

控制轮子转动，抵消在一个维度上倾斜得趋势便可以保持车体平衡了。

所以根据上述得原理,通过测量小车得倾角与倾角速度控制小车车轮得加速度来消除小车得倾角。

因此,小车倾角以及倾角速度得测量成为控制小车直立得关键。

我们得平衡小车使用了测量倾角与倾角速度得集成传感器陀螺仪－MPU6050二、角度（物理分析PD算法）图1图2控制平衡小车,使得它作加速运动。

这样站在小车上（非惯性系,以车轮作为坐标原点)分析倒立摆受力，它就会受到额外得惯性力,该力与车轮得加速度方向相反,大小成正比。

这样倒立摆(如图2）所受到得回复力为：公式１F = ｍｇ sin θ-ma cos θ≈ｍｇθ－mk1θ式１中，由于θ很小，所以进行了线性化。

假设负反馈控制就是车轮加速度a与偏角θ成正比,比例为ｋ1.如果比例k1>ｇ，（ｇ就是重力加速度)那么回复力得方向便于位移方向相反了。

而为了让倒立摆能够尽快回到垂直位置稳定下来，还需要增加阻尼力.增加得阻尼力与偏角得速度成正比，方向相反，因此公式1可改为：Ｆ = mg θ－ｍk1θ—mk2θ｀按照上述倒立摆得模型，可得出控制小车车轮加速度得算法:ａ =k１θ+ｋ2θ` 式中θ为小车角度,θ`为角速度。

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。

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。

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

两轮自平衡小车控制研究

ｐｓｔｏｏｔｏｈｗｈｔｏｒｓｈｍｅｈｓｂｔｅｅｆｒｎｅｏｉｉｎｃｎｒｌｓｏｔａｕｃｅａｅｔｒｐｒｏｍａｃ．
Ｋｅｒｓｓｌｂｌｎｅ；ｒｃｏｔｌＬｙｗｏｄ：ｅｆａａｃｄｔｅｃｎｒ；ＱＲ－ａｏ
１引言
目前对于固定的机械臂的研究较为成熟，而对于具
斜角度的传感器检测到车体产生倾斜时，控制系统根据测得的倾角产生一个相应的力矩，通过控制电机驱动两
有移动平台的智能移动机器人［４的研究却甚少，轮１１１１两自平衡小车［１是移动机器人研究中的一个重要领域。２３１１
车的平衡及运动时，制量也是轮子的转动力矩。控
些复杂环境里的工作。另一方面，研究意义上看，从
自平衡小车系统是一个集环境感知、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复杂非线性
系统。本文针对该系统的基本平衡控制问题，采用了最
优控制方案，仿真实验结合实际系统实验均实现了其对
平衡控制，验证了控制效果。
２自平衡小车数学模型
两轮自平衡小车平衡控制的基本思想是：当测量倾
收稿日期：２１ — ９０ —１００３
图１小车受力分解图
两轮自平衡机器人两轮共轴、独立驱动、车身中心位于车轮轴上方，过运动保持平衡，通可直立行走。由于特殊的结构，其适应地形变化能力强，动灵活，以胜任运可

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。