两轮独立驱动电动平衡车设计
双轮平衡车设计与控制系统研究
双轮平衡车设计与控制系统研究随着科技的进步和城市化的发展，出行方式也逐渐向着更加便捷和环保的方向发展。
目前，电动滑板车、电动自行车、共享单车等出行方式已经成为了人们生活中不可或缺的一部分。
其中，双轮平衡车作为一种新型交通工具，已经逐渐地走进人们的生活，成为一种新时代的代步方式。
双轮平衡车是一种基于倒立摆原理的电动车辆。
双轮平衡车的设计和控制系统分别起着极其重要的作用。
其中，设计是保证车辆稳定性的重要因素，控制系统则是保证车辆动态性能的关键。
本文将对双轮平衡车的设计与控制系统进行研究。
一、双轮平衡车的设计双轮平衡车的设计需要考虑对称性、重心、车宽、车高、灵活性等因素。
其中，对称性和重心是保证车辆稳定性的关键。
在设计双轮平衡车时，需要使车的上下对称性尽量完美，并使车的重心尽量靠近车轮的轴心，这样车辆才能够更好地保持平衡。
另外，车宽和车高也是设计过程中需要考虑的因素。
车宽过大会影响车辆的操控性，而车高过高则会影响车辆的稳定性。
因此，在设计过程中需要探索出适合双轮平衡车的车宽和车高的最佳比例。
同时，双轮平衡车需要拥有一定的灵活性，以便于车辆在不同路况下更好地适应。
二、双轮平衡车的控制系统双轮平衡车的控制系统是保证车辆动态性能的重要因素。
控制系统包括传感器、控制器、电机和电池等四个部分。
它们之间互相配合，相互影响，保证了车辆在运行过程中的稳定性。
传感器负责感知车辆的角度、速度、加速度等信息。
传感器通过反馈这些信息给控制器，控制器再根据这些信息对电机进行控制，使车辆能够维持平衡。
电机则是提供驱动力的关键，它通过电池进行动力转换，将电能转化为机械能，带动车轮转动。
在控制系统中，控制器的设计和控制算法是至关重要的。
目前，常用的控制算法有PID算法和模糊控制算法。
PID算法是一种比较成熟的控制算法，它通过不断调整控制参数来调节车辆的平衡状态。
而模糊控制算法则是一种基于模糊逻辑的控制算法，它通过构建模糊规则库来控制车辆的平衡状态。
两轮自平衡小车设计报告
两轮自平衡小车设计报告设计报告：两轮自平衡小车一、引言二、设计理念本设计希望实现一个简洁、稳定和高效的两轮自平衡小车。
考虑到小车需要快速响应外界环境变化，并迅速做出平衡调整，因此采用了传感器、控制器和执行机构相结合的设计思路。
通过传感器获取小车倾斜角度和加速度等数据，通过控制器对采集的数据进行处理和判断，并通过执行机构实时调整车身的倾斜角度，以实现平衡行走。
三、原理四、硬件结构1.车身结构：车身由两个电机、一个控制器、一个电池和一个平衡摆杆组成。
2.电机：采用直流无刷电机，具有较高的转速和输出功率。
3.控制器：采用单片机控制模块，能够对传感器数据进行处理和判断，并输出控制信号给电机。
4.传感器：主要包括陀螺仪、加速度计和倾斜传感器，用于感知小车的倾斜角度和加速度等数据。
5.电池：提供小车的电力供应，保证小车正常运行。
五、软件控制小车的软件控制主要包括数据处理和判断、控制信号生成和输出三个方面。
1.数据处理和判断：通过获取的传感器数据，包括倾斜角度和加速度等信息，根据预设的控制算法进行数据处理和判断。
2.控制信号生成：根据处理和判断得出的结果，生成相应的控制信号。
控制信号包括电机的转动方向和速度。
3.控制信号输出：将生成的控制信号输出给电机，实现倒立摆的平衡。
六、小车性能测试为了验证小车的设计和功能是否符合预期，进行了多项性能测试。
1.平衡行走测试：将小车放在平坦的地面上，通过传感器检测到小车的当前倾斜角度并进行调整，实现小车的自平衡行走。
2.转向测试：在平衡行走的基础上，通过控制信号调整两个电机的速度差，从而实现小车的转向。
3.避障测试：在平衡行走和转向的基础上，添加超声波传感器等避障装置，实现小车的避障功能。
七、总结通过本设计报告的详细介绍，我们可以看出两轮自平衡小车具备平衡行走、转向和避障等功能，为用户提供了一个稳定、高效的移动平台。
未来，我们将进一步优化小车的设计和控制算法，提高小车的性能和应用范围。
两轮自平衡车控制系统的设计与实现
两轮自平衡车控制系统的设计与实现一、自平衡车系统概述1、定义自平衡车是一种以双轮直立结构/双轮平移结构的小型无线遥控电动车，最初由电动车作为主要的运动机构，但也有可能有其他特殊机构，进行实时控制，使其能够在平衡和模式控制下，保持水平稳定态，实现自动平衡、自主康复和自由行走。
2、系统功能自平衡车系统的功能是通过实时控制平衡并实现模式控制，使自平衡车实现自动平衡、自主康复和自由行走，从而达到智能化的操作目的，解决双轮自行车无主动平衡功能的问题。
二、系统设计1、硬件系统自平衡车的硬件系统由电池、ESC（电子转向控制器）、遥控组件、周边传感器组件、电路板组件等构成。
2、软件系统自平衡车的控制系统主要由ARMCortex-M0 MCU、单片机程序、PID算法组成。
三、系统实现1、硬件系统实施（1）第一步，在自平衡车上安装ESC，ESC的电池由智能充电器连接，使自平衡车进行自动充电；（2）第二步，给控制器方向键插上遥控器，使用户可以控制车辆移动；（3）第三步，在车辆上安装多个传感器，在控制板上增加芯片，使用户可以对车辆进行实时监测；（4）第四步，在控制板上安装一个ARM Cortex-M0 MCU处理器，将控制算法由单片机程序烧录形成可控制的处理系统。
2、软件系统实施（1）随着ARM处理器的安装，自平衡车可以被SONI的特殊的烧录器进行烧录，该程序可以控制车辆的转向和速度；（2）安装完毕后，需要建立多个变量从传感器接受数据，读取车辆的平衡状态，并控制车辆前后左右的运动；（3）最后，我们选择PID算法来实现车辆实时的控制，根据车辆当前的实际情况，调节PID距离和速度增量使自平衡车实现实时的模式控制。
四、结论本文介绍了自平衡车控制系统的设计思想和实现步骤，通过控制平衡，实现自动平衡、自主康复和自由行走，使得自平衡车有更多的功能，在以后的应用中，自平衡车的研究和应用实际会有很大的推动作用。
两轮自平衡小车设计
两轮自平衡小车设计一、任务要求图1两轮自平衡车两轮自平衡车结构原理如图1所示，主控制器（DSP）通过采集陀螺仪和加速度传感器得到位置信号，通过控制电机的正反转实现保持小车站立。
1、通过控制两个电机正反运动，实现小车在原地站立。
2、实现小车的前进、后退、转弯、原地旋转、停止等运动；二、方案实现2.1电机选型图2直流电机两轮自平衡车由于需要时刻保持平衡，对于倾角信号做出快速响应，因此对电机转矩要求较大。
在此设计中选用国领电机生产的直流电机，其产品型号为GB37Y3530，工作电压6v-12v。
为增大转矩，电机配有1:30传动比的减速器。
2.2电机测速方案图3霍尔测速传感器在电机测速方案上主流的方案有两种，分别是光电编码器和霍尔传感器。
光电编码器测量精度由码盘刻度决定，刻度越多精度越高；霍尔传感器精度由永磁体磁极数目决定，同样是磁极对数越高精度越高。
由于两轮自平衡车工作于剧烈震动环境中，光电编码器不适应这种环境，因此选用霍尔传感器来测量速度。
电机尾部加装双通道霍尔效应编码器，AB双路输出,单路每圈脉冲16CPR,双路上下沿共输出64CPR，配合1:30的减速器传动比，可以计算出车轮转动一圈输出的脉冲数目为64X30=1920CPR，完全符合测速要求。
2.3电机驱动控制系统概述本平台电机驱动采用全桥驱动芯片L298N，内部包含4通道逻辑驱动电路，两个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器。
本驱动桥能驱动46V、2A 以下的电机。
其输出可以同时控制两个电机的正反转，非常适合两轮自平衡车开发，其原理图如下图所示图4L298N原理图采用脉宽调制方式（即PWM，Pulse Width Modulation）来调整电机的转速和转向。
脉宽调制是通过改变发出的脉冲宽度来调节输入到电机的平均电压，即通过不同方波的平均电压不同来改变电机转速。
图5PWM脉宽调节示意2.4倾角位置采集倾角和角速度采集是两轮自平衡车控制的重点，选用MPU6050模块作为其采集模块。
智能双轮平衡车的设计原理
智能双轮平衡车的设计原理
智能双轮平衡车是一种能够自主平衡并移动的机器人。
其设计原理基于以下几个方面：
1. 姿态控制原理：智能双轮平衡车通过检测车身的姿态来进行平衡控制。
通常使用陀螺仪或加速度计等传感器来检测车身倾斜的角度，然后使用控制算法来调整电机转速，使得车身保持平衡。
2. 转向控制原理：智能双轮平衡车通过控制两个电机的转速差来实现转向。
当需要车身左转时，右边的电机转速减小，左边的电机转速增加，从而使车身向左转动。
反之，当需要车身右转时，左边的电机转速减小，右边的电机转速增加。
3. 速度控制原理：智能双轮平衡车通过控制两个电机的转速来调节车辆的速度。
通常使用电机控制器或闭环控制算法来根据用户输入的速度指令，控制电机的转速。
4. 充电与电池管理原理：智能双轮平衡车通常使用锂电池作为电源，需要有充电电路和管理系统来管理电池的充电和放电过程。
充电电路通常与电源适配器相连，可以通过检测电池电量来自动充电。
同时，电池管理系统还需要监测电池的电压和温度等参数，以确保使用安全。
5. 用户交互原理：智能双轮平衡车通常会配备有界面或传感器，供用户与车辆
进行交互。
这些界面可以是按钮、触摸屏、语音控制等，用户可以通过这些界面给车辆发送指令，比如控制车辆前进、后退、转向等。
综上所述，智能双轮平衡车的设计原理主要涉及姿态控制、转向控制、速度控制、充电与电池管理以及用户交互等方面，通过使用传感器、控制算法和相应的硬件设备，实现车辆的平衡和移动。
双轮自平衡车设计报告
双轮自平衡车设计报告学院…………..........班级……………………姓名………………..手机号…………………..姓名………………..手机号…………………..姓名………………..手机号…………………..目录一、双轮自平衡车原理二、总体方案三、电路和程序设计四、算法分析及参数确定过程一.双轮自平衡车原理1.控制小车平衡的直观经验来自于人们日常生活经验。
一般的人通过简单练习就可以让一个直木棒在手指尖上保持直立。
这需要两个条件：一个是托着木棒的手掌可以移动；另一个是眼睛可以观察到木棒的倾斜角度和倾斜趋势（角速度）。
通过手掌移动抵消木棒的倾斜角度和趋势，从而保持木棒的直立。
这两个条件缺一不可，让木棒保持平衡的过程实际上就是控制中的负反馈控制。
图1 木棒控制原理图2.小车的平衡和上面保持木棒平衡相比，要简单一些。
因为小车是在一维上面保持平衡的，理想状态下，小车只需沿着轮胎方向前后移动保持平衡即可。
图2 平衡小车的三种状态3.根据图2所示的平衡小车的三种状态，我们把小车偏离平衡位置的角度作为偏差；我们的目标是通过负反馈控制，让这个偏差接近于零。
用比较通俗的话描述就是：小车往前倾时车轮要往前运动，小车往后倾时车轮要往后运动，让小车保持平衡。
4.下面我们分析一下单摆模型，如图4所示。
在重力作用下，单摆受到和角度成正比，运动方向相反的回复力。
而且在空气中运动的单摆，由于受到空气的阻尼力，单摆最终会停止在垂直平衡位置。
空气的阻尼力与单摆运动速度成正比，方向相反。
图4 单摆及其运动曲线类比到我们的平衡小车，为了让小车能静止在平衡位置附近，我们不仅需要在电机上施加和倾角成正比的回复力，还需要增加和角速度成正比的阻尼力，阻尼力与运动方向相反。
5 平衡小车直立控制原理图5.根据上面的分析，我们还可以总结得到一些调试的技巧：比例控制是引入了回复力；微分控制是引入了阻尼力，微分系数与转动惯量有关。
在小车质量一定的情况下，重心位置增高，因为需要的回复力减小，所以比例控制系数下降；转动惯量变大，所以微分控制系数增大。
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。
【精品毕设】两轮平衡车的设计
毕业设计（论文）
题目两轮平衡车的设计
系（院）机电工程系
专业机械设计制造及其自动化
学号
指导教师
职称
二〇一四年六月二十日
独创声明
本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。
据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
二〇一二年月日
毕业设计（论文）使用授权声明
本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。
本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。
（保密论文在解密后遵守此规定）
作者签名:
二〇一二年月。
两轮自平衡直立车
目录
一、设计背景
二、整体设计
平衡原理 硬件设计
三、设计创新
四、应用前景
一、设计背景
两轮自平衡电动车具有行走灵活、便利、节能等特点得 到了很大的发展。
国外有很多这方面的研究，也有相应的产品；国内虽有 一些试探性的研究，但是没有可靠的商业产品。
平衡车能改变人们出行方式，占用空间少；可有效减轻 国内交通拥挤的情况。
车模运行引起的加速度计波动
平衡控制原理
陀螺仪：
陀螺仪可以测量物体的角速度，不会 受到车体运动的影响，因此该信号中噪声 很小。
由于从陀螺仪角速度获得角度信息， 需要经过积分运算，所以轻微的温度漂移 和误差积分后就能产生较大的误差。
角速度积分漂移现象
平衡控制原理
为了结合加速度计和陀螺仪的优缺点，我
们采用了互补滤波作为拟合算法。 互补滤波是利用陀螺仪进行积分得到角度，
四、应用前景
1、国内尚无成熟产品，竞争相对较弱。
2、占用空间少，可减轻国内堵车的情况。
3、双轮电动，绿色出行无污染。
调试工具
使用.Net编写上位机，方便调节。 编写菜单，支持现场功能设置、调节
上位机
菜单
谢谢观看！
渲染图
姿态模块原理图(MMA7361、LG4D20)
主板
硬件设计
主板包括了最小系统、电源、和其他外围模块的接口。
采用L6932作为3.3V电源，稳定可靠。
硬件设计
驱动设计
采用IR7843自搭双H桥驱动，最大电流160A，控制频率10kHz。
三、设计创新
1、左右两轮电动车，独特的平衡设计方案。 2、全部电路、模块均为自己设计，独一无二。 3、加入控制算法(PID、互补等)，控制更稳定。
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。
两轮自平衡小车系统
两轮自平衡小车系统引言两轮自平衡小车系统是一种具有自主平衡能力的车辆，因其小巧、灵活和节能等优点而备受。
这种小车系统在许多领域都具有广泛的应用前景，如交通运输、救援、工业自动化和娱乐等。
本文将详细介绍两轮自平衡小车系统的设计方法，包括车身结构设计、电路设计和控制系统软件设计等，并对所需的硬件设备和操作方法进行阐述。
定义和概念两轮自平衡小车系统主要由一个或两个电动马达、两个轮子、一个控制器和一个电池组等组成。
其中，平衡点是指小车系统的重心所在的位置，而倾角则是指小车系统与水平面之间的夹角。
通过调节平衡点和倾角，可以使小车系统达到自主平衡状态。
系统设计1、车身结构设计两轮自平衡小车的车身结构是设计的核心之一，它直接影响到小车的稳定性和灵活性。
车身结构应尽量采用轻量化材料，如铝合金或高强度塑料，以减小车身重量和增加灵活性。
此外，车身结构还需考虑轮距、轴距、马达位置等因素，以实现最佳的平衡效果。
2、电路设计电路设计是两轮自平衡小车系统的重要组成部分，主要包括电池组、电机控制器和传感器接口等。
电池组应选择能量密度高、充电速度快且轻量化的电池，以保证小车的续航能力和灵活性。
电机控制器应选用具有PWM控制功能的控制器，以便于调节电机的转速和方向。
同时，还需为传感器接口设计合适的电路，以实现信号的稳定传输。
3、控制系统软件设计控制系统软件设计是实现两轮自平衡小车自主控制的关键。
控制系统软件应包括姿态感知、控制算法和运动规划等模块。
姿态感知模块负责读取传感器数据，如陀螺仪和加速度计，以获取小车的姿态信息。
控制算法模块基于姿态信息计算控制信号，如PID控制器、模糊逻辑控制器等，以实现小车的自主平衡控制。
运动规划模块应根据控制信号计算小车的运动轨迹，以保证小车的平稳行驶。
硬件设备1、传感器两轮自平衡小车需要使用多种传感器，如陀螺仪和加速度计，以实时感知小车的姿态信息。
陀螺仪可以测量小车的角速度，加速度计可以测量小车的加速度，两者结合可以准确计算出小车的姿态角度。
两轮自平衡车的设计研究
两轮自平衡车的设计研究首先，两轮自平衡车的设计中最重要的组件是姿态感知器和控制系统。
姿态感知器通过加速度计和陀螺仪等传感器来感知车辆的姿态变化，并将数据传递给控制系统。
控制系统根据这些数据来计算出应该施加的力矩，以保持车辆的平衡。
我们需要精确地设计和调整这些组件，以确保车辆能够稳定地保持平衡。
其次，两轮自平衡车的动力系统也至关重要。
目前常用的动力系统是电池供电的电动机。
电动机将电能转化为机械能，驱动车辆前进。
设计动力系统时需要考虑能量效率、稳定性和驱动力的大小。
另外，选择合适的电池类型和容量也是关键，以确保车辆的续航能力。
此外，两轮自平衡车的操控系统也需要设计和研究。
一个简单直观的操控系统可以提高用户体验，并减少操作难度。
常见的操控系统包括使用身体重心移动来控制车辆的前进、后退和转向。
此外，也可以考虑添加智能化的操控功能，如蓝牙连接手机进行远程操控等。
在结构设计方面，两轮自平衡车需要考虑车辆的稳定性和可靠性。
一个好的结构设计能够提高车辆的抗风性和减震性能。
此外，车辆的重心位置也需要合理安排，以减小车辆倾倒的风险。
最后，两轮自平衡车的安全性是设计中不可忽视的因素。
设备应具备紧急停止和防护措施，以防止意外伤害。
例如，可以在车辆上加装限位开关，在发生故障时停止电机的运转。
另外，可以考虑添加LED灯和蜂鸣器等装置，以提高车辆的可见性和警示效果。
总之，两轮自平衡车的设计研究涉及姿态感知器和控制系统、动力系统、操控系统、结构设计和安全性等多个方面。
通过合理设计和研究，可以提高车辆的平衡性、稳定性和安全性，进一步推动两轮自平衡车的发展和广泛应用。
自动平衡同轴双轮电动小车系统设计
--自动平衡同轴双轮电动小车系统设计Design of Automatic Balance Coaxial Double Electric Car System学生学号：学生姓名：专业班级：指导教师：职称：起止日期：2----摘要本课题旨在研制一种自平衡同轴双轮自平衡小车。
该系统是一种两轮左右平行布置的单人电动车，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。
由于它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性，因而对其进行研究具有重要的理论和实践意义。
系统以姿态传感器（陀螺仪、加速度计）来检测侧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。
控制技术是运动控制的核心，在实际生产实践中应用最普遍的是各种以PID为代表的基本控制技术。
按照偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器，简称为PID调节器，是连续系统中技术成熟且应用广泛的一种调节器。
本文对系统用到的PID 控制技术做了相应的研究，从理论上分析了变积分的PID控制技术的优势，并在系统的实际测试中获得了良好的效果。
关键词：自平衡；陀螺仪；加速度计；PID控制----AbstractIn this thesis, a two-wheeled vehicle with the characteristic of self-balancing was developed. For the prototype design, the vehicle is arranged by two paralleled wheels and powered by electric motor, which is an unstable object needed force to keep balance, just as the traditional ‘inverted pendulum’. Since the action principle is similar to rocket flying and robot waking, this research is meaningful for the theory and practice.According to the inertial sensor (gyroscope, accelerometer ),the monitoring data of pitching state changing are input into the MCU(Micro Control Unit)calculation for the acceleration commands to drive the motor forward/backward for the balance keeping. Control technique is the core of vehicle movement, which is typical with PID (Proportion Integration Differentiation) technique in practice. PID moderator is a technology-matured moderator for wide application in continuous system, which based on deviation proportion, integration and differentiation. In this thesis, PID control technique was detailed investigated in theory, especially for the advantages of PID variational integralion, and finally well-performance was achieved in the application.Key words: self-balance; gyroscope; accelerometer; PID----目录摘要 (II)Abstract (III)第1章绪论 (1)1.1前言 (1)1.2自平衡同轴双轮小车的研究意义 (1)1.3 两轮自平衡小车的发展历程和现状 (1)1.3.1国外研究成果 (2)1.3.2国内的研究成果 (3)1.4 本文的研究内容 (4)第2章系统原理分析 (5)2.1控制系统要求分析 (5)2.2平衡控制原理分析 (6)2.3姿态检测系统分析 (7)2.3.1陀螺仪数据处理 (7)2.3.2加速度计数据处理 (8)2.3.3传感器数据处理的必要性 (9)2.3.4基于卡尔曼滤波的数据融合 (10)2.4 PID控制技术 (12)2.4.1 PID控制技术的应用现状 (13)2.4.2 PID调节规律 (13)2.4.3 积分分离的PID算法 (14)2.4.4 PID控制器参数的确定 (14)第3章系统硬件结构 (16)3.1系统硬件组成及工作原理 (16)3.1.1系统的结构框图 (16)3.1.2系统的组成 (16)3.2直流无刷电动机 (17)3.2.1 直流无刷电机选择理由 (17)3.2.2 直流无刷电机调速 (17)3.2.3 直流无刷电机控制方法 (18)3.3电机驱动器 (18)----3.3.1电源部分 (19)3.3.2功率元件部分 (19)3.3.3功率管驱动芯片 (20)3.3.4硬件设计中的抗干扰措施 (21)3.4陀螺仪 (22)3.4.1陀螺仪简介 (22)3.4.2 陀螺仪的应用电路 (23)3.5加速度计 (24)3.5.1加速度计简介 (24)3.5.2加速度计应用电路 (25)3.6控制器 (26)3.6.1微控制器选型 (26)3.6.2 AVR 、ATmega16L单片机简介 (28)3.6.3复位电路 (29)3.6.4 A/D模数转换电路 (29)第四章系统软件设计与实际测试 (31)4.1系统软件功能模块划分 (31)4.2软件功能模块设计 (31)4.2.1初始化和主循环模块 (31)4.2.2 A D采样及采样数据滤波处理模块 (32)4.2.2陀螺仪与加速度计输出值转换 (33)4.2.3卡尔曼滤波器的软件实现 (34)4.2.4平衡PID控制软件实现 (37)4.2.5两轮自平衡车的运动控制 (38)结论 (41)致谢 (42)参考文献 (43)----第1章绪论1.1前言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。
设计一种两轮自动寻道平衡车-物理中心
【作品介绍】基于电机驱动倒立摆的两轮自动寻道平衡车的设计摘要：随着现代科技的发展，人民生活水平不断提高，四轮车正在走进千家万户，为了节能减排，向绿色化交通发展，本课题提出了两轮平衡车。
利用物理学倒立摆平衡原理和电子技术制作了两轮自动寻道平衡车。
该作品包括1个芯片MC9S12XS、1个陀螺仪ENC03、1个加速度计MMA7260、1个线性CCD传感器TSL1401、4个按键和1个液晶显示器5110组成。
通过按钮改变在液晶屏上显示的参数，能在不同类型的道路上自动寻道，以适当的速度自动地前进。
能够顺利地通过弯道、十字叉道、虚线道、坡道，减速通过障碍地带，检测到终止线后在终止线处停车。
实验结果表明，该作品已实现了双轮车自动寻路，稳定行驶，具有性能可靠、操作方便、行驶自如等特点，达到国内先进水平。
关键词：两轮自平衡；倒立摆；自动寻道物理学原理与电子技术的结合，促进了人类文明的发展。
基于电机驱动倒立摆[1]的两轮自动寻道平衡车的设计，就是以物理学原理与电子技术专业知识为基础，结合课外活动小组人员的兴趣，制作的一件创新作品。
1 设计方案两轮自动寻道平衡车是由1个芯片MC9S12XS、1个陀螺仪ENC03、1个加速度计MMA7260、1个线性CCD传感器TSL1401、4个按键和1个液晶显示器5110组成。
该作品采用1节7.2V可充电的镍镉蓄电池供电。
由电源模块、驱动模块、显示系统、控制系统4个部分组成，其结构电路图如图1所示。
图1 结构电路图其中电源模块电路图如图1所示。
图1 电源模块电路图其中驱动系统电路图如图2所示。
图2 驱动电路原理图驱动系统利用1个MC9S12XS单片机作为驱动系统核心，10个BTN7860B芯片控制80个信号输出口，其中MC9S12XS 单片机的2个AD端口分别控制陀螺仪ENC03和加速度计MMA7260，接收陀螺仪和加速度计分别测得的角速度和g*sinθ数据，软件通过卡尔曼滤波，将角速度和角度柔和，在虚拟示波器上显示卡尔曼滤波[2]，卡尔曼滤波示意图如图3所示，运用PID控制原理，将柔和的角度加上一个放大比例P输出占空比，控制4个PP端口电机的不同的转数。
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。
两轮平衡小车硬件设计的原理!
两轮平衡小车硬件设计的原理!1.结构设计原理：两轮平衡小车的基本结构包括车身、轮子、电机、电机控制器、传感器等。
车身是支撑整个小车的主要部分，可以采用金属材料或者塑料制作。
轮子通过轴与电机相连，通过电机的旋转产生推力，实现小车的运动。
电机控制器负责控制电机的转速和方向，进而控制小车的运动。
传感器用于测量小车的倾斜角度、速度等信息，将这些信息反馈给电机控制器，以实现车身平衡的控制。
2.电机驱动原理：两轮平衡小车通常采用直流无刷电机作为驱动装置，其驱动原理为通过电磁场的作用，使电机产生旋转力矩，进而驱动车轮的转动。
电机控制器通过控制电机的通电和断电来控制电机的转速和方向。
根据小车的运动情况，电机控制器计算出相应的驱动信号，通过PWM调制的方式对电机进行控制，使其产生合适的力矩，保持整车平衡。
3.传感器反馈原理：为了实现小车的平衡控制，需要通过传感器获取小车的倾斜角度和速度等信息。
常见的传感器包括陀螺仪和加速度计。
陀螺仪用于测量小车的倾斜角度，通过检测绕垂直轴的旋转变化来确定倾斜角度的变化情况。
加速度计用于测量小车的加速度和速度，根据牛顿第二定律将加速度转换为车身的倾斜角度。
传感器将获取到的数据传输给电机控制器，以进行平衡控制。
4.控制算法原理：两轮平衡小车的控制算法主要包括PID控制算法和卡尔曼滤波算法。
PID控制算法通过对误差、偏差和积分的计算和比较，得到控制信号，实现平衡控制。
卡尔曼滤波算法通过对传感器的测量数据进行预测和修正，消除传感器噪声，提高控制的精度和稳定性。
5.电源系统原理：两轮平衡小车的电源系统主要包括电池和电源管理模块。
电池作为提供电能的装置，需要充分满足电机和控制器的功率需求。
电源管理模块用于对电池进行保护，包括电池的充放电控制、电压监测、温度保护等功能，以确保电池的安全和长寿命。
通过以上原理，两轮平衡小车的硬件设计能够实现车身平衡控制、运动控制和电源管理等功能，为实现小车的平稳运行提供了必要的支撑。
双轮平衡车设计
• 196•进入新世纪后，我国人工智能行业逐渐崭露头角，智能机器人、智能安装机器人、无人驾驶等新型科技产业飞速发展。
在双轮平衡车领域，科技人员通过对陀螺仪的研究，也将其纳入发展行列。
当今世界绿色主题发展越来越明显，随着科技的进步，清洁能源的大量投入使用使得电动汽车的数量在不断增加。
为解决交通拥挤等问题，研究者以简洁、小型化为出发点，开发出了一款两轮电动平衡车。
1 系统框架在设计中本装置的硬件电路主要包含：提供工作的电压并各个电路模块降压电路的设计、转向、STM32F103ZET6控制系统电路、光耦隔离电路的设计等。
由于系统各部分电路所需的电压不同，因此需要特殊的电压转换电路来保证系统中各电路的正常工作。
平衡数据、转向数据采集由集成处理模块MPU6050中的六轴运动和倾斜信号传感器处理，主控制系统以数据为基础进行判断，数据处理，通过高级定时器TIM1（TIM8）输出不同占空比的PWM 波绕两个电机转速，使平衡车一直处于平衡状态。
2 电机驱动模块2.1 无刷直流电机无刷直流电动机的结构与普通直流电动机的结构非常相似。
无刷直流电动机的三相绕组均匀分布在120°空间内,使用该绕组分布方法可以最大程度的节约空间，为转子提供稳定的控制回路。
一般来说有三个绕组连接，一个用于Y 连接，另一个用于星形连接。
本文采用的连接方法是星形连接，电动机驱动电路中有六个功率晶体管分别为VT1、VT3、VT4、VT5、VT6，两个DC 控制端分别为DC+、DC-。
转子的实时位置数据，判断控制电路的功率晶体管的开西北民族大学电气工程学院 王元琪 李远航双轮平衡车设计闭情况。
通过控制上臂和下臂六个功率晶体管的导通顺序，实现了电动机线圈的通电顺序的变化。
该电机具有转矩和速度特性好、动态响应速度快、效率高、使用寿命长、转向过程无火花、运行平稳、维护方便等优点。
2.2 门极驱动电路设计平衡车的控制系统中电机的控制是至关重要的。
两轮自平衡小车设计报告
沈阳工业大学信息科学与工程学院第五届创新杯大学生电子设计竞赛双轮自平衡小车摘要:本作品采用STM32单片机作为主控制器，用一个陀螺仪传感器来检测车的状态，通过TB6612控制小车两个电机，来使小车保持平衡状态，通过手机蓝牙与小车上蓝牙模块连接以控制小车运行状态。
关键字：智能小车；单片机；陀螺仪；蓝牙模块。
一、系统完成的功能根据老师的指导要求，在规定的时间内，由团队合作完成两轮自平衡小车的制作，使小车在一定时间内能够自助站立并且自由行走，以及原地转圈，上坡和送高处跃下站立。
二、系统总体设计原理框架图图2.1 系统总体框图三.系统硬件各个组成部分介绍3.1.STM32单片机简介（stm32rbt6）主控模块的STM32单片机是控制器的核心部分。
该单片机是ST意法半导体公司生产的32位高性能、低成本和低功耗的增强型单片机，它的内核采用ARM 公司最新生产的Cortex—M3架构，最高工作频率可达72MHz，256K的程序存储空间、48K的RAM，8个定时器／计数器、两个看门狗和一个实时时钟RTC，片上集成通信接口有两个I2C、3个SPI、5个USART、一个USB、一个CAN、两个和一个SDIO，并集成有3个ADC和一个DAC，具有80个I／0端口。
STM32单片机要求2.0～3.6V的操作电压(VDD)，本设计采用5.0V电源通过移动电源给单片机供电。
3.2.陀螺仪传感器陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度。
本设计选用MPU-6050。
MPU-60X0 是全球首例9 轴运动处理传感器。
它集成了3 轴MEMS 陀螺仪，3 轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP（Digital Motion Processor），可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。
扩展之后就可以通过其I2C 或SPI 接口输出一个9 轴的信号（SPI 接口仅在MPU-6000 可用）。
MPU-60X0 也可以通过其I2C 接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器MPU-60X0 对陀螺仪和加速度计分别用了三个16 位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。
两轮平衡车的设计
两轮平衡车的设计两轮平衡车是一种电动交通工具，具有非常好的操控性和平衡性。
它被广泛应用于短途出行、城市交通等方面。
一个好的设计和工艺不仅能提高车辆的性能，还能增加驾驶者的安全性。
在下面的文章中，将介绍两轮平衡车的设计及其主要部件。
首先，两轮平衡车的主要部件包括车身、电机、电池、控制器和传感器。
车身是整个平衡车的框架，必须具有足够的强度和刚度以支撑驾驶者和其他部件。
车身通常由高强度材料制成，如铝合金或碳纤维复合材料。
这些材料具有轻量化和高强度的特点，可以减少车身的重量，增加驾驶的灵活性。
电池是平衡车的能量储存装置，可以提供电机所需的电能。
目前市场上主要有铅酸电池、镍氢电池和锂电池等多种类型的电池。
铅酸电池价格低廉，但体积大、重量重。
镍氢电池体积小，容量大，使用寿命长。
锂电池不仅容量大，而且体积小，重量轻，适合平衡车的应用。
平衡车的电池容量也应根据车辆的需求进行选择，以确保车辆的行驶里程。
控制器是平衡车的核心部件，它包含了车辆的控制算法和电机驱动电路。
控制器通过读取传感器的数据，实时计算车辆的姿态和加速度等信息，并根据设定的控制策略来控制电机的工作。
控制器不仅要保证车辆的平衡，还要具有过载保护、过压保护、过流保护等功能，以确保车辆的安全性和稳定性。
传感器是平衡车的感知器官，通过感知车辆的姿态、加速度、角度等信息，并将这些信息传递给控制器。
常用的传感器有陀螺仪、加速度计、角度传感器等。
陀螺仪可以感知车辆的旋转角速度，加速度计可以感知车辆的加速度，角度传感器可以感知车辆的倾斜角度。
通过这些传感器的合理组合和数据处理，可以实现车辆的平衡和操控。
除了上述主要部件之外，两轮平衡车还可以配备照明灯、喇叭、液晶显示屏等附加设备，以提高驾驶者的安全性和便利性。
照明灯可以增加车辆的可见性，喇叭可以提醒行人和其他车辆，液晶显示屏可以显示车辆的速度、电量和故障信息等。
这些设备的设计应考虑到车辆的美观性和人机交互性，以便驾驶者能够方便地获取相关信息。
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两轮独立驱动电动平衡车的设计摘要两轮电动平衡车是一种能够载人直立行走的交通工具，依靠电能提供动力。
它突破了传统意义上的车的概念，其特点是：两个车轮共轴放置，差动式运动，零半径转向，依照倒立摆的原理达到动态平衡。
近年来国内外的研究方向主要是两轮平衡机器人的控制系统，针对其机械结构的研究却较少，有关平衡车机械结构的文献更少。
本文总结了国内外相关领域的研究成果，在此基础上对平衡车的平衡原理进行了介绍，建立了平衡车的动力学模型，并对平衡车的机械结构进行了设计。
所做的具体工作如下：（1）先介绍平衡车姿态测量的传感器以及为减少传感器的测量误差所常用的方法。
然后对平衡所需的驱动力矩进行了推导，为后续的机械结构设计提供理论依据。
（2）设计平衡车的机械结构。
本文所设计的平衡车由车轮、悬架、车架和操纵杆四部分组成。
轮毂电机和减速器集成在车轮内部，提高了电动车的动力性能和工作效率。
操纵杆用来控制平衡车的转向和车速。
（3）对平衡车进行动力学分析，建立了平衡车的三维动力学模型。
模型建立过程中的大部分计算由数学软件Mathematica进行。
关键词 平衡车；驱动力矩；机械结构；动力学模型；AbstractTwo‐wheeled self‐balancing electric vehicle is a way to walk upright manned vehicles , rely on electricity to power. Self‐balancing vehicle breaking the concept of vehicle in the traditional sense, it is characterized by two wheels that in one line , differential movement , zero turning radius and in accordance with the principle of inverted pendulum dynamic equilibrium. In recent years, research at home and abroad are mainly on two balancing robot control system, studies of its mechanical structure has less literature ,studies on self‐balancing vehicle’s mechanical structure even less. This paper summarizes the research results in related fields, then the principle of balancing of the vehicle was introduced,a dynamic model of the vehicle was derived，and the mechanical structure of the vehicle was designed. Specific works are as follows:(1)Describing the self‐balancing vehicle attitude measurement sensor and a method to reduce the measurement error of the sensor common .Then the required drive torque has been derived to provide a theoretical basis for the subsequent mechanical design .(2) Mechanical design of the vehicle. The vehicle is designed in this paper combined by four parts, means wheels, suspensions, frame and lever. Wheels motor and reducer integrated in the wheels inside , improve dynamic performance and efficiency of the vehicle. Joystick to control the balance of the car 's steering and speed.(3) The self‐balancing vehicle dynamics analysis, three‐dimensional dynamic model of the balance of the vehicle was derived. Most of calculations in the modeling process done by the mathematical calculation software Mathematica.Keywords: Self‐balancing vehicle; Driving torque; Mechinics structure; Dynamic model目录第1章 绪论 (1)1.1 研究的目的及意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.2.1 国外研究现状 (2)1.2.2 国内研究现状 (3)1.3 论文主要内容 (4)第2章 平衡车的平衡原理 (6)2.1 简介 (6)2.2 平衡车的姿态测量和平衡控制 (7)2.2.1 平衡车的姿态测量 (7)2.2.2 平衡车的平衡控制 (10)2.3 平衡车行驶时所需的驱动力矩 (11)2.3.1 平衡车要克服的行驶阻力 (11)2.3.2 平衡车保持平衡所需的驱动力矩 (15)2.4 本章小结 (17)第3章 平衡车的机械结构设计 (18)3.1 平衡车总体方案 (18)3.2 车轮设计 (20)3.2.1 车轮结构方案设计 (20)3.2.2 车轮详细设计 (23)3.3 悬架设计 (34)3.4 车架和操纵杆设计 (36)3.5 平衡车各部件的装配 (38)3.6 本章小结 (38)第4章 平衡车的动力学模型 (40)第5章 总结 (48)致谢 (49)参考文献 (50)第1章 绪论1.1 研究的目的及意义随着我国工业水平的提高，近年来汽车产业迅速发展。
汽车保有量的增加使得城市污染和交通拥堵等问题越来越严重，这是一个世界难题。
汽车保有量的增加速度超过城市交通基础设施建设的速度是造成交通拥堵的主要原因，交通管制措施如尾号限行、推行错峰上下班等只能在对交通拥堵只能起到一定程度的缓解作用，无法从根本上解决这个问题。
另外汽车保有量的增加也使得停车更为困难，停车泊位缺口的扩大导致汽车占用人行道和自行车道停车，特别是在市中心等交通紧张地段更是如此，这进一步加剧了交通拥堵。
20实际80年代，科学家们提出并完善了双轮平衡机器人的概念，通过控制系统的合理控制，这种只有两个轮子的机器人可以保持平衡，其机械结构非常简单。
随着对上述机器人的认识的深入，有学者提出适于民用的平衡车的概念。
和双轮平衡机器人一样，运行时的平衡车质心与车轮轴线处于同一竖直平面内，通过传感器测量平衡车的空间姿态，并将测量结果传送到控制系统，控制系统根据平衡车的空间姿态进行合理的控制。
平衡车系统是一个不稳定的系统，如果没有控制的干预它就不能保持平衡。
通过控制系统并结合一些传感器，平衡车可以保持平衡并接收驾驶员的指令进行转弯、加速和减速。
对于一般的交通工具如普通自行车等，驾驶人需要自己进行平衡控制，与此不同，原则上平衡车只要电力充足，驾驶人和车身就不会翻倒。
平衡车无污染且操作容易、灵活性强、结构简单，非常适合作为代步工具。
在使用过程中，平衡车的主要优点如下：（1）占地面积较小，在要求运输灵活或场地面积小的场合非常实用；（2）旋转灵活，平衡车两个轮胎并且车轮轴线共线，从而能实现零半径转弯，可以在狭窄的空间内灵活运动；（3）驾驶简单，平衡车的平衡由控制系统控制保持，驾驶人只需控制车速和转向；（4）无刹车系统，平衡车行驶过程中的加速和减速都可以通过改变重心位置来实现；（5）由于控制系统和轮毂电机的使用，平衡车的机械结构可以得到很大程度的简化，与一般的交通工具相比平衡车可以做的更小更轻；（6）平衡车的驱动功率较小，使得电池可以长时间供电，增加了平衡车的行驶距离，从而更为实用。
作为汽车高密度的国家，我国的交通正愈加拥挤，平衡车的上述优点就使得它非常适合作为一个代步工具。
同时，作为不稳定的两轮系统，平衡车具有非线性、强耦合、多变量的特性，可以作为典型装置来检验各种控制理论。
平衡车的设计制造需要很多不同领域的知识，例如机械学、控制理论和控制技术、单片机和嵌入式计算机技术、蓄电池及材料技术等，其应用价值和研究背景都非常广泛。
1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状早在20世纪80年代，平衡车的理念就已经被提出，但当时的控制器性能低下，无法采用先进的算法保持平衡车的平衡，而且当时的微机械技术很不发达，生产的传感器无法及时准确的获取平衡车的空间姿态，所以这一理念在当时并没有受到相应的重视。
2001年，较为成熟的电动平衡车产品Segway由美国发明家迪恩卡曼公布[1]，图1-1给出了Segway的实体图，它是全球第一个真正商业化的平衡车。
Segway 的电机和控制系统及传感器等都由锂电池供电，空间姿态通过5个陀螺仪检测，每秒采样率高达5000次，通过操纵杆来控制转向。
与同时代其它类型的平衡车相比，Segway更为安全，造型也更为美观。
其主要参数如下：整车重量：54.4 kg(越野型)、47.7 kg(规格)最高时速：20 km/h满电量行程：19 km(越野型)、48 km（规格)价格：59000元(越野型)、56000元(规格)Segway颠覆了交通工具传统的低重心、三点平衡、稳定地盘的设计方法，所以在其推出初期，很多专家都非常看好这款产品。
Segway的设计非常复杂，它使用的陀螺仪是航空级的，5个陀螺仪中的3个用于空间姿态的检测，剩余的两个用于冗余。
其主控芯片采用德州仪器生产的DSP芯片，为了提高系统的稳定性，Segway有两块主控芯片，当一块发生故障时，另一块可以实现上一块的所有功能，保证Segway的正常运行。
Segway的主控芯片中导入了合适的控制软件，负责对整车进行监测和调控。
然而Segway的价格十分高昂，作为新概念产品其安全性也无法确保，故而它的推广使用并不顺利。