两轮机器人自平衡研究 ppt课件
两轮自平衡机器人的LQR和PID实验
用以在线学习两足机器人的平衡控制的CTRNN和BPTT算法的即时实现：站立姿态实验摘要：为了学习机器人控制规则，本文描述了CTRNN算法和BPTT算法的即时实现实验的结果。
实验的目的是为了控制一个两足步行机器人模型在站立姿态下保持平衡。
机器人通过神经控制器控制其关节运动来补偿外界扰动的影响。
在机器人的即时电子单元中嵌入程序算法。
同时，文中详细介绍了在线学习的实现。
最后，实验结果的学习行为和控制性能证明了所提方法的可行性和效率。
1、介绍随着技术的发展，人们得以将来自人体或动物形体的启发应用于机器人制作。
因此，最新的仿人机器人是一种集成了高端机械技术与电子技术的复杂系统。
这些机器人具有完整的感知系统，能够进行人机交互，且能够在人们的日常生活环境中运动。
如何控制机器人在行走或站立时的平衡是控制仿人机器人的一大难题。
解决这一问题的一种方法是根据零力矩点理论设计控制器；另一种方法是利用仿生控制器，即具备适应能力，且能够通过训练获得所需反应的方法。
为了能够了解如何“正确”控制机器人保持平衡，利用诸如神经网络等仿生架构是一个很有希望的途径。
为此，人们在过去提出了几个基于神经元控制器的设想。
其中，Albus（1975）在1975年提出的小脑模型关节控制器（CMAC）设想在控制腿式机器人领域仍为人们所研究。
近期的研究主要涉及CMAC的建模及其泛化性能（Horvath&Szabo,2007），或是CMAC与其他诸如模糊逻辑（Su，Lee&Wang,2006），计算力矩控制（Lin&Chen,2007）等的联系。
CMAC 已被应用于控制两足步行机器人的平衡（Kun&Miller,1996）、鲁棒动态行走仿真（Lin&Chen,2007）及两足步行机器人实验（Sabourin&Bruneau,2005）等领域。
多年以来，循环神经网络（即动态神经网络）在复杂系统的控制领域被广泛研究（Marcua,Köppen-Seligerb,&Stücher,2008;Song&Tahk,2001）。
重心自调整的两轮机器人技术研究
重心调整原理与方法
重心调整原理
根据机器人重心位置，通过控制器计算出调整所需的力矩，再控制两个轮子以不同的速度转动，产生所需的力 矩，使机器人重心位置保持稳定。
重心调整方法
常用的重心调整方法包括基于静态力学的PID控制方法和基于动态力学的MPC控制方法。其中PID控制方法通 过调整比例、积分和微分参数来控制轮子转速，而MPC控制方法则通过预测机器人未来姿态并优化控制输入 来实现更精确的控制。
干扰抵抗测试
测试机器人在受到外部干扰（如突然推搡）后的恢复能力，以评 估其稳定性表现。
06
结论与展望
研究成果总结
1 2 3
实现了机器人重心自调整功能
通过优化算法和控制系统，实现了机器人在运 动过程中自动调整重心，提高了机器人的稳定 性和适应性。
提高了运动效率
通过减少能量损失和优化运动路径，提高了机 器人的运动效率，实现了更快速、更节能的运 动。
传感器接口设计
传感器类型选择
选择合适的传感器类型，如编码器、陀螺仪或加速度计，以实现 精确的姿态和位置检测。
传感器信号处理
设计信号处理电路来对传感器信号进行放大、滤波和转换，以获 得准确的姿态和位置信息。
传感器接口电路设计
将传感器信号接入主控制器，实现数据的传输和处理。
电源管理系统设计
电源类型选择
意义阐述
解决两轮机器人的重心调整问题，可以提高机器人的运动性能、稳定性和适 应能力，从而拓展机器人的应用范围，具有重要的理论和实践价值。
研究现状与发展
现状分析
目前，针对重心自调整的两轮机器人技术，已经有一些研究 工作在进行。这些研究主要集中在控制算法设计、传感器融 合和运动规划等方面。
发展趋势
两轮自平衡小车
摘要两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器人，本质不稳定两轮小车是一种特殊轮式移动机器人，其动力学系统具有多变量、非线性、强耦合、参数不确定性等特性，是研究各种控制方法的一个理想平台。
两轮自平衡小车就像传统的倒立摆一样，其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，通过高速中央处理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。
本文选用适当的控制器、执行电机和传感器，设计出两轮自平衡小车的驱动电路，实现了两轮小车的硬件控制系统。
关键词：两轮自平衡小车，陀螺仪，加速度计，PID控制，极点配置1AbstractTwo wheels car is a since balance two rounds of robot highly unstable ,essence unstable two rounds of car is a kind of special wheeled mobile robots, its dynamics system has many variables, nonlinear and strong coupling, parameter uncertainty features, is the study of an ideal method of control platform. Two wheels cars like the balance of traditional inverted pendulum is the same, itself is a natural unstable body, must exert strong control means to enable them to stability. Its principle of work is system to posture sensor (gyroscopes, accelerometers) to monitoring body in pitch state and state rate, through high-speed CPU calculate the appropriate data and instructions, driving motor produce forward or backward in acceleration to achieve the effect of before and after the bodywork balance. This paper selects the appropriate controller, executive motor and sensor two rounds, and designed the car driver circuit since balance; realize the two rounds of car hardware control system.Keywords：two rounds of self balanced car；The gyroscope；Accelerometer；PID control；Pole placement2目录1绪论 (5)1.1两轮自平衡小车的研究意义 (5)1.2 两轮自平衡小车的发展历程和现状 (5)1.2.1 国外的研究成果 (5)1.2.2 国内的研究成果 (7)1.3 本论文的工作 (7)2 驱动硬件构建 (9)2.1 引言 (9)2.2 直流无刷电机 (9)2.2.1 直流无刷电机选择理由 (9)2.2.2 直流无刷电机工作原理 (10)2.2.3 直流无刷电机调速 (10)2.2.4 直流无刷电机控制方法 (12)2.3 驱动电路设计 (13)2.3.1 系统电源模块 (14)2.3.2 功率元件部分 (16)2.3.3 功率驱动电路 (16)2.3.4 CPU微控制器 (17)2.3.5 电流检测电路 (17)2.4 传感器元件 (17)2.5 硬件设计中抗干扰措施 (18)3 传感器数据处理 (19)3.1 引言 (19)3.2 光电编码器 (19)33.3 陀螺仪 (20)3.3.1 陀螺仪简介 (20)3.3.2 陀螺仪的漂移问题 (20)3.4 加速度计 (21)3.5 传感器数据处理的必要性 (22)3.6 数据处理 (22)4 自平衡小车控制策略研究 (23)4.1 引言 (23)4.2 平衡的实现 (23)4.3 系统数学模型 (24)4.3.1 车轮模型 (25)4.3.2 车身模型 (26)4.4 PID技术 (30)4.4.1 应用现状 (31)4.4.2 PID调节规律 (31)4.5 极点配置 (32)4.5.1 极点配置条件 (33)4.5.2 极点配置控制器 (36)5 总结 (38)致谢 (40)参考文献 (41)附录1 (43)附录2 (61)41绪论1.1两轮自平衡小车的研究意义移动机器人是机器人学的一个重要分支，对于移动机器人的研究，包括轮式、腿式、履带式以及水下式机器人等，可以追溯到20世纪60年代。
双轮自平衡机器人
双轮自平衡机器人§1.2主要内容本课题重点从两方面入手进行探究。
它们分别是“高重心双轮自平衡机器人的实现”与“低重心双轮自平衡机器人的应用”。
下面就这两方面作具体介绍。
§1.2.1高重心双轮自平衡机器人的实现高重心双轮自平衡是指在重力场中，机体重心高于支点（这里具体是指机器人的轮轴）的动态平衡。
通过对两个车轮的控制，产生加速场，模拟物体平衡条件（∑F=0，∑M=0），产生回复力矩，使整个机体维持在重力势能的顶点。
平衡的流程是这样的：稳定—〉重心偏移—〉探测器探知情况—〉处理器计算校正办法—〉机器人加速—〉物体收惯性力—〉物体重新平衡—〉循环整个问题主要有三个方面组成：状态捕捉、控制算法、平衡能力。
※状态捕捉，是指获取机体瞬间的状态参数，以便计算出相应的马达输出功率，维持机体的平衡状态。
结合仿生学原理（参见“理论研究”），在传感器选择余地小等不利条件的制约下，目前设想的方法有如下几种：◎光（距离）传感器法☆：• 如图：• 原理：利用光传感器测量距离d，从而计算机体倾角。
• 优点：能够精确测定倾角，同时测量线速度V（=d d / d t），为控制通了可靠且有用的数据。
• 缺点：传感器的选择非常困难。
目前已知的超声波距离传感器大多在量程上不符合要求（近距离精度太低）。
而光传感器是反馈光的回射率，不能准确测得距离（只能借助试验积累的数据）。
同时易易受外界光照、接触面等因素影响。
• 注明：具体参见“实验报告”。
◎触脚传感法☆：• 如图：• 原理：利用角度传感器反馈机体的倾角及角速度ω（=dθ/ d t）。
• 优点：可靠，稳定，材料普及。
• 缺点：触脚有支撑的嫌疑，可能会引起歧义。
• 注明：具体参见“实验报告”。
◎应激发：• 如图：• 原理：测量机体的加速度（其实是加速率），当加速度（率）达到一定界限时自动调整。
（就像人在感觉就要向前摔倒时立刻像前一步作支撑）• 优点：材料普及，符合仿生学原理（条件反射conditioned reflex）。
两轮机器人自平衡研究
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目录 /目录
01
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04
两轮机器人自 平衡的关键技 术
02
两轮机器人自 平衡技术概述
05
两轮机器人自 平衡技术的挑 战与解决方案
03
两轮机器人自 平衡系统的组 成
06
两轮机器人自 平衡技术的未 来展望
健康护理：未来，两轮机器人自平衡技术还可能应用于健康护理领域，如老年人照料、 康复训练等。
对产业和社会的影响
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促进相关产业发展：两轮机器人自平衡技术的不断进步将带动相关产业 链的发展，如电池技术、传感器等。
添加标题
提高生产效率：两轮机器人自平衡技术能够提高生产效率，降低生产成 本，为企业创造更多价值。
两轮机器人自平衡技术的应用场景：从个人出行到物流运输，再到公共安全等领域，具有广 泛的应用前景。
03
两轮机器人自平衡系统 的组成
控制系统
组成：传感器、控制器和执行器 功能：检测机器人姿态，控制平衡和运动 控制算法：PID控制、模糊控制等 实现方式：硬件电路、嵌入式系统等
传感器系统
传感器作用：检测机器人姿 态、速度和位置等信息
06
两轮机器人自平衡技术 的未来展望
技术发展趋势
智能化：随着人工智能技术的不断发展，两轮机器人自平衡技术将更加智能化，能够更好地适 应复杂环境。
高效化：未来两轮机器人自平衡技术将更加注重效率，提高平衡稳定性和行驶速度。
多样化：随着应用场景的不断拓展，未来两轮机器人自平衡技术的种类将更加多样化，满足不 同领域的需求。
该技术的应用场 景包括但不限于 个人出行、物流 运输、公共交通 等领域，具有广 泛的市场前景和 实际应用价值。
双轮自平衡机器人行走伺服控制算法研究
双轮自平衡机器人行走伺服控制算法研究孙亮，王嶷然，于建均，阮晓钢(北京工业大学人工智能与机器人研究所, 北京 100022)摘要：为了解决双轮自平衡机器人行走伺服控制问题，本文设计了一种基于mamdani型模糊推理规则的模糊控制器。
并且使用这种模糊控制器在双轮自平衡机器人硬件平台上完成了两个实验。
一是以恒定倾斜角行走为控制目标的行走伺服控制，二是以恒定速率行走为控制目标的行走伺服控制。
实验结果表明，本文设计的模糊控制器可以很好的解决双轮自平衡机器人行走伺服控制问题。
关键词：双轮自平衡机器人；行走伺服控制；模糊控制中图分类号：TP 文献标识码：AThe Motion Servo Control Algorithm Research on Equilibrate Robot(Institution of Artificial Intelligence and Robot, Beijing Polytechnic University, Beijing100022, China)SUN Liang, WANG Yi-ran, RUAN Xiao-gangAbstract: In this paper, the dual wheel equilibrate robot motion servo control is our concern. We design the controller which uses the fuzzy mamdani reasoning rule table. Based on the controller mentioned above, we focus on the constant tilt angle and constant motion speed control. From the results of the experiments, the fuzzy controller shows a good dynamic performance.Key words: Dual Wheel Equilibrate Robot; Motion Servo Control; Fuzzy Control1 引言移动机器人学是机器人学的一个重要分支，主要研究在复杂环境下机器人系统的实时控制问题。
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
两轮机器人自平衡研究ppt课件
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25
5、卡尔曼滤波控制系统结构图
•
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26
6、卡尔曼滤波特点
卡尔曼滤波是解决状态空间模型估计与预测的 有力工具之一，它不需存储历史数据，就能够从一 系列的不完全以及包含噪声的测量中，估计动态系 统的状态。卡尔曼滤波是一种递归的估计，即只要 获知上一时刻状态的估计值以及当前状态的观测值 就可以计算出当前状态的估计值，因此不需要记录 观测或者估计的历史信息。
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15
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。
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7
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
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8
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。
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9
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。
两轮自平衡机器人-2019年精选文档
两轮自平衡机器人0 引言两轮自平衡机器人作为一种本征不稳定轮式移动机器人，具有多变量、非线性、强耦合和参数不确定等特点，这使得它成为验证各种控制算法的理想平台。
同时它运动灵活、结构简单，适于在狭小的空间工作，有着广泛的应用前景。
两轮自平衡机器人能够完成多轮机器人无法完成的复杂运动及操作，特别适用于工作环境变化大、任务复杂的场合。
开展两轮自平衡机器人的研究对于提高我国在该领域的科研水平、扩展机器人的应用背景等具有重要的理论及现实意义。
1 系统总体结构两轮自平衡机器人主要由车身和左右两个驱动轮组成，两个驱动轮的轴线位于同一条直线上，但由各自的电机独立驱动。
机器人倾斜角度由姿态传感器检测，速度检测系统由霍尔传感器和编码器组成，为控制系统提供反馈信号。
两轮自平衡机器人平衡控制的基本思想是：当测量倾斜角度的传感器检测到体产生倾斜时，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个车轮向车身要倒下的方向运动，以保持机器人自身的动态平衡。
系统主要由以下几个模块组成：瑞萨RL78/G13 单片机最小系统、电源模块硬、姿态检测模块、电机驱动模块、速度检测模块，如图1所示。
图1 系统总体结构图图2 平衡机器人力学模型图2 平衡机器人力学模型为了获得平衡机器人的平衡方程，需要分析其力学结构，平衡机器人的主要构成是车身和左右两个车轮，影响平衡的参数有：重心、质量、转动惯量、半径。
建立力学模型，如图2所示。
假设平衡机器人为刚体，左右两轮完全对称，并且忽略车轮与地面之间的滑动与侧向滑动，以左轮和车身为研究对象得到如下方程：左轮方程为：■RLMRL=HTL-HL（1）■RLJRL=GL+HTLR（2）其中，xRL为水平位移；MRL为左车轮质量；HL为车身施加于车轮的水平作用力；HTL为地面对车轮的水平作用力；θRL为左轮相对于垂直分量的倾角；JRL为左轮相对于Z轴转动惯量；GL为左轮电机产生的扭矩；R为车轮半径。
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。
两轮自平衡小车
式中， pwl ——左轮的轨迹(m)；
——左轮相对于机器人本体的转角(rad)；
——右轮相对于机器人本体的转角(rad)。
由机器人运动学模型可以看出，通过控制机器人左右两轮的速度，可以实现机器人沿着任意设定的轨 迹行走。 最大可控角度论证:（当驱动车轮的电机和减速机构选型确定后） 如下的平衡关系： g sin
（4-7）
因为两轮自平衡机器人平衡后，可假设车身倾角在 5 范围内。将式（4-7）在 =0（垂直于水平地面）附近展开并忽略高 次项（ sin 、 cos 1 ， 0 ） ，代入（4-2）式，得到车身前进运动模型：
J 1 （4-3）式中两相加，可适当： 2 m 2 v T H r r
右轮速度为：
xr R r cos yr 0 zr R r sin
2.车体的运动学模型
这里设定了一个小的时间间隔为 t ，对 t 时刻及 t t 时刻车体的运动进行分析。
Vb ——车体质心绕车轮轴转动的线速度(m/s)；
Vc 2 —— Vb 在 y ' 轴上的投影(m/s)；
X vC cos r cos L R 2 Y vC sin r sin L R 2
两轮自平衡机器人的角速度为：
r R L 2b 得 r R L 2b
于是可得到自平衡机器人的运动方程：
r cos X 2 Y r sin 2 r 2b r cos 2 r sin R L 2 r 2b
kmax cos rM
s2
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：
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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
2020/12/27
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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
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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
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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。
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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
在现实生活中，陀螺仪发生的进给运动是在重 力力矩的作用下发生的。
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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)
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二、两轮自平衡机器人
两轮自平衡机器人作为一种特殊的倒立摆式的移动 机器人，具有非完整、非线性、欠驱动和不稳定等 特点，这使它能够成为验证各种控制算法的理想平 台。同时它具有运动灵活、结构简单，容易控制的 特点，具有广泛的应用前景。可用于交通、教育、 服务机器人和玩具等领域。所以开展两轮自平衡机 器人方面的研究工作对提高我国在该领域的科研水 平、扩展机器人的应用背景等具有重要的理论与现 实的意义。
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
2发020/一12/27场新的交通革命。
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精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，
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：
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2、加速度计基本原理
当仪表壳体随着运载体沿敏感轴方向作加速运动
时，根据牛顿定律，具有一定惯性的检测质量力
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1、陀螺仪的原理
陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的 方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据 这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫 陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速 旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作 很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向， 并自动将数据信号传给控制系统。
笨，没有学问无颜见爹娘 ……” • “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
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1、两轮自平衡电动车组成
自平衡电动也叫电动平衡车、体感车
等，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。以内置的
图保持其原来的运动状态不变。它与壳体之间将
产生相对运动，使弹簧变形，于是检测质量在弹
簧力的作用下随之加速运动。当弹簧力与检测质
量加速运动时产生的惯性力相平衡时，检测质量
与壳体之间便不再有相对运动，这时弹簧的变形
反映被测加速度的大小。电位器作为位移传感元
件把加速度信号转换为电信号，以供输出。加速
度计本质上是一个一自由度的振荡系统，须采用
精密固态陀螺仪（Solid-State
Gyroscopes）来判断车身所处的姿势
状态，透过精密且高速的中央微处理
器计算出适当的指令后，驱动马达来
2做020/到12/27平衡的效果。如右图所示：
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2、两轮自平衡车的运动
由于两轮自平衡电动车的两轮结构，使得它的重心 在上、支点在下，故在非控制状态（或静态）下为 一不稳定系统。然而，可以利用倒立摆系统的控制 原理，通过微处理器的控制使它能够如倒立摆一样 稳定在一个平衡位置处，并能在保持平衡的状态下 按照使用者的指令要求正常运行。两轮自平衡电动 车实际上是一级直线式倒立摆和旋转式倒立摆的结 合体，它的控制原理与倒立摆系统的基本一致。更 形象地说，自平衡电动车的工作原理更像人行走的 过程。
图为倒立摆模型：
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4、自平衡电动车工作原理
自平衡独轮车在平衡点附近的稳定控制与其它倒立 摆系统的特点基本相似。当在大范围内保持稳定时， 其由于控制角度变大而引起的非线性和负载变化造 成的不确定性变得尤其突出，必须施加一定的控制 手段才能使之稳定，因此自平衡车比其它倒立摆控 制系统的研究内容更为广泛，需要采取其他的控制 方法共同完成对自平衡车的良好控制。
阻尼器来改善系统的动态品质。
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四、陀螺仪（gyroscope）
陀螺仪（gyroscope），是一种用来传感与维持方向 的装置，基于角动量守恒的理论设计出来的。陀螺 仪主要是由一个位于轴心且可旋转的轮子构成。 陀 螺仪一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪有 抗拒方向改变的趋向。陀螺仪多用于导航、定位等 系统。