两轮自平衡车的研究
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。
两轮自平衡小车实习报告
实习报告：两轮自平衡小车设计与实现一、实习背景及目的随着科技的发展，机器人技术在各领域中的应用越来越广泛。
两轮自平衡小车作为一种具有自平衡能力的新型轮式车，能够在工业生产、安防系统、智能家居、物流网等领域发挥重要作用。
本次实习旨在学习和掌握两轮自平衡小车的设计原理和技术，培养实际动手能力和创新能力。
二、实习内容与过程1. 理论研究在实习开始阶段，我们对两轮自平衡小车的基本原理进行了深入研究。
通过查阅相关资料，了解了两轮自平衡小车的运动学模型、控制算法以及硬件系统设计等方面的知识。
2. 硬件设计根据实习要求，我们设计了两轮自平衡小车的硬件系统。
主要包括STM32单片机、陀螺仪、蓝牙模块、电机驱动模块、电源管理模块等。
在设计过程中，我们充分考虑了系统的稳定性和可靠性，选择了合适的硬件组件，并完成了各模块之间的电路连接。
3. 软件设计在软件设计阶段，我们采用了PID控制算法，实现了直立控制、速度控制和方向控制等功能。
通过编写程序，使得两轮自平衡小车能够在一定时间内自助站立并保持平衡。
同时，利用蓝牙模块实现了手机APP远程控制功能，方便用户对小车进行操作和控制。
4. 系统调试与优化在系统调试阶段，我们通过对小车的实际运行情况进行观察和分析，不断调整PID 参数，优化控制策略，提高了小车的平衡控制精度和稳定性。
同时，针对小车在实际运行中可能遇到的各种问题，我们采取了相应的措施，保证了系统的可靠性和安全性。
三、实习成果与总结通过本次实习，我们成功设计和实现了两轮自平衡小车。
小车具备了自平衡能力，能够在不同地形环境中灵活运动。
同时，通过手机APP远程控制功能，用户可以方便地对小车进行操作和控制。
总结：本次实习让我们深入了解了两轮自平衡小车的设计原理和技术，锻炼了实际动手能力和创新能力。
通过实习，我们掌握了PID控制算法在实际控制系统中的应用，学会了如何优化系统参数，提高了系统的控制精度和稳定性。
同时，我们也认识到在实际设计和实现过程中，需要充分考虑系统的可靠性和安全性，以满足实际应用需求。
最新版两轮平衡车项目可行性研究报告
两轮平衡车项目可行性研究报告两轮平衡车项目可行性研究报告两轮平衡车项目可行性研究报告目录1. 执行摘要 (4)1.1. 公司描述 (4)1.2. 市场 (5)1.3. 投资与财务 (5)1.4. 组织与人力资源 (6)2. 项目背景 (7)2.1. 产业背景 (7)2.2. 产品概述 (8)2.3. 两轮平衡车的优点 (8)2.4. 两轮平衡车应用前景 (9)3. 市场机会 (9)3.1. 市场特征 (9)3.2. 市场细分 (11)3.3 销售渠道分析 (11)3.4 竞争分析 (12)4. 公司战略 (15)4.1 总体战略 (15)4.2 发展战略 (16)5. 市场营销 (17)5.1 目标市场(Target Market) (17)5.2 产品和服务 (17)5.2.1 产品 (17)5.3 价格（Price ） (22)5.4 销售渠道（Place ） (22)5.5 推广策略（Promotion ） (23)5.6 市场开发与进入 (25)6. 生产管理 (27)6.1 生产要求 (27)6.2 厂址选择 (27)6.3 项目进度 (28)6.4 生产工艺流程 (28)7. 投资分析 (30)两轮平衡车项目可行性研究报告7.1 股本结构与规模 (30)7.2 资金来源与运用 (30)7.3 投资收益与风险分析 (31)8. 财务分析 (35)8.1 会计报表及附表 (35)8.2 会计报表分析 (42)9. 管理体系 (43)9.1公司性质: (43)9.2组织形式 (44)9.3部门职责 (44)10. 机遇与风险 (45)10.1 机遇 (45)10.2 外部风险 (46)10.3 内部风险 (46)10.4 解决方案 (46)11. 风险资本的退出 (47)11.1 撤出方式 (47)11.2 撤出时间 (48)1. 执行摘要1.1. 公司描述现今我国两轮平衡车每年约有 6 亿人民币的市场需求，其中国产中低端产品约有 3.2 亿。
两轮平衡车原理
两轮平衡车原理两轮平衡车，又称电动平衡车或电动独轮车，是一种新型的个人电动代步工具，它通过倾斜身体来控制前后平衡，实现前进、后退、转弯等动作。
它的原理是基于陀螺仪的稳定性和动力学原理，下面我们将详细介绍两轮平衡车的原理。
首先，两轮平衡车的核心部件是陀螺仪，它是一种能够保持自身平衡的装置。
在两轮平衡车中，陀螺仪感知车身的倾斜角度，然后通过内置的控制系统来调整电机的转速，从而保持车身的平衡。
这种原理类似于人类的平衡感觉，当人体倾斜时，大脑会发送信号给肌肉，使身体保持平衡，而两轮平衡车则是通过电子系统来实现这一功能。
其次，两轮平衡车的动力来源于电机和电池。
电机是驱动车轮转动的关键部件，它通过控制转速和方向来实现车辆的前进、后退和转向。
而电池则为电机提供能量，一般采用锂电池作为动力源，它具有能量密度高、重量轻、循环寿命长等优点，能够满足两轮平衡车长时间的使用需求。
另外，两轮平衡车还配备了传感器和控制系统。
传感器可以感知车身的倾斜角度、加速度和角速度等参数，然后将数据传输给控制系统。
控制系统根据传感器的数据，通过算法来判断车身的状态，并控制电机的工作状态，从而实现平衡和动作控制。
这种闭环控制系统使得两轮平衡车能够快速、精准地响应用户的操作，保持稳定的行驶状态。
最后，两轮平衡车的原理还涉及到人体的平衡感知和操作技巧。
用户通过身体的微调和重心的移动来控制车辆的前进、后退和转向，这需要一定的平衡能力和操作技巧。
随着使用时间的增加，用户可以逐渐掌握平衡车的操作技巧，实现更加灵活、自如的驾驶体验。
综上所述，两轮平衡车的原理是基于陀螺仪的稳定性和动力学原理，通过电机、电池、传感器和控制系统的协同作用，实现车身的平衡和动作控制。
同时，用户的平衡感知和操作技巧也是保证车辆安全、稳定行驶的重要因素。
希望通过本文的介绍，能够让大家对两轮平衡车的原理有更深入的了解。
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。
二轮平衡车系统的算法研究的开题报告
二轮平衡车系统的算法研究的开题报告一、选题背景随着城市化进程的加快，个人出行工具的种类也越来越多。
而二轮平衡车作为一款新型出行工具，因其小巧便携、省时省力、环保节能等特点，被越来越多的人所青睐。
然而，二轮平衡车的控制技术涉及多个学科，如机械、电子、控制等，其中算法研究是二轮平衡车控制的重要组成部分。
因此，对二轮平衡车控制算法的研究，有着重要的理论和实际意义。
二、研究内容本次开题报告的研究内容为二轮平衡车系统的算法研究，主要包括以下几个方面：1. 算法原理分析：分析二轮平衡车控制算法的原理，对常见的PID控制算法、模糊控制算法、神经网络控制算法等进行深入剖析。
2. 模型建立与仿真：建立二轮平衡车的数学模型，并基于MATLAB平台进行仿真。
3. 实验设计与数据采集：设计实验方案，通过传感器采集实验数据。
4. 算法优化研究：基于实验数据对算法进行优化研究，提高控制效果。
三、研究意义本次研究旨在深入探究二轮平衡车控制算法的原理与实现方式，并在此基础上进行实验验证和优化研究。
对于提升二轮平衡车的控制效果，实现更加精准、稳定的控制具有重要意义。
同时，研究成果也可以为二轮平衡车的进一步研发提供参考。
四、研究方法本次研究采用了文献综述、理论研究、仿真实验、数据采集和算法优化等研究方法，从理论到实验全方位地探讨二轮平衡车算法优化的问题。
五、研究进度目前，本次研究已完成文献综述和算法原理的分析，正在进行二轮平衡车的模型建立和仿真实验设计的工作。
六、预期成果预计本次研究的成果将包括：1. 二轮平衡车控制算法的原理分析和仿真实验结果。
2. 二轮平衡车的控制效果优化研究成果。
3. 研究论文和报告。
七、结论本次研究旨在深入探究二轮平衡车控制算法的原理和实现方式，并通过实验验证和优化研究，提高控制效果。
预期成果包括算法原理分析、仿真实验结果和研究成果等。
通过本次研究的探讨，将探索二轮平衡车控制技术的发展方向，为二轮平衡车的应用和发展提供参考。
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
两轮平衡车原理
两轮平衡车原理
两轮平衡车，又称电动平衡车、独轮平衡车，是一种个人短途出行工具，近年来逐渐成为城市出行的新宠。
它采用动力电池和电机驱动，通过倾斜身体来控制前后平衡，从而实现前进、后退、转向等功能。
那么，两轮平衡车的原理是什么呢？
首先，两轮平衡车的原理基于自平衡控制系统。
这个系统由加速度传感器、陀螺仪传感器、控制电路和电机组成。
当骑手倾斜身体时，加速度传感器和陀螺仪传感器会感知到身体的倾斜角度和方向，然后将这些信息传输给控制电路。
控制电路会根据传感器的信号计算出车辆的倾斜角度和速度，并通过调节电机的转速来实现车辆的平衡。
其次，两轮平衡车的原理还涉及动力系统。
动力系统由电池和电机组成，电池为电机提供能量，电机则驱动车辆前进、后退和转向。
当骑手向前倾斜时，控制电路会调节电机的转速，使车辆向前加速；当骑手向后倾斜时，控制电路会调节电机的转速，使车辆向后倾斜。
同时，通过左右脚的微调，可以实现车辆的转向。
最后，两轮平衡车的原理还包括安全保护系统。
安全保护系统
通过限速器、过流保护器、过压保护器等装置，对电池和电机进行监测和保护，确保车辆在安全范围内运行。
当电池电量过低或电机过热时，安全保护系统会自动切断电源，以防止意外发生。
综上所述，两轮平衡车的原理是基于自平衡控制系统、动力系统和安全保护系统的协同作用。
当骑手倾斜身体时，自平衡控制系统会感知倾斜角度并调节电机转速，从而实现车辆的平衡和运动。
而安全保护系统则保障了车辆的安全运行。
通过这些原理的相互作用，两轮平衡车成为了一种便捷、环保、安全的出行工具，受到了越来越多人的青睐。
两轮平衡车中机械手臂的研究1
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。
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。
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。
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：
两轮平衡车研究内容
两轮平衡车研究内容
1.动力系统：研究电池容量、电机功率等参数对平衡车性能的影响，寻求更高效、更稳定的动力系统设计。
2.控制算法：研究平衡车的控制策略和算法，通过改进控制算法提高车辆的稳定性和操控性能。
3.传感器技术：研究平衡车的传感器技术，包括倾角传感器、加速度传感器等，提高平衡车控制精度和稳定性。
4.车身设计：研究车身结构和材料，改进车辆的抗震性和重量分布，提高平衡车的稳定性和舒适性。
5.人机交互设计：研究如何让驾驶员更容易地掌控平衡车，提高人机交互的可靠性和易用性。
6.给车辆增加通信系统，可以实现平衡车之间的通信，或者与智能手机连接，实现更好的用户体验和服务功能。
7.安全性设计：研究平衡车安全性的设计、制造和测试标准以及相关的技术和方法，以保证平衡车的质量和用户安全。
两轮自平衡小车研究毕业设计论文 精品
本科毕业设计题目两轮自平衡小车研究学院电子信息工程学院专业自动化学生姓名刘长根学号 200910311332 年级 2009级指导教师罗浚溢职称博士年月日两轮自平衡小车研究专业：自动化学号：200910311332学生：刘长根指导教师：罗浚溢摘要：现在两轮自平衡小车的研究在全世界得到很大的关注。
本论文主要工作是对两轮自平衡小车的原理进行研究并且和提出一种设计方案。
本次设计方案是采用ENC-03MB陀螺仪传感器和MMA7361LC 三轴加速度倾角传感器构成小车的状态检测装置，使用算法使陀螺仪数据和加速度计数据的融合得到小车的倾角，再通过一定的算法使小车保持直立状态。
系统采用飞思卡尔公司的DSC 16位处理器XS128单片机为核心控制处理器，完成传感器信号的处理，滤波算法的实现和车身控制等一些任务。
在小车制作完成后，各个模块之间能够正常并且协调的工作，小车可以只无人干预的条件下实现自主平衡，运用手机蓝牙可以控制小车的前进、后退、左右转动等各个动作。
关键词：两轮自平衡小车；陀螺仪；加速度倾角传感器；XS128单片机Research of The Two-wheel Self-balance Car Specialty：Automation Student Number：200910311332Student：Liu Changgen Supervisor：Luo JunyiAbstract:Now ，the research of two-wheel self-balance car get great attention all over the world.The main job of this paper is to study the principle of the two-wheel self-balance car and put forward a design scheme.This design used ENC-03MB gyroscope sensor and MMA7361LC triaxial acceleration and angle sensor constitute the car status detection ing algorithms made fusion of gyroscope data and accelerometer data to get the tilt angle of the car.Then ,through a certain algorithm to make the car keep upright.The system adopted freescale company DSC 16-bit processor XS128 single-chip microcomputer as the control core,it realized the sensor signal processing the sensor signal processing,filtering algorithm and body control and so on.After the car production is completed,each module can be normal and to coordinate work,the car can keep balancing in unmanned ing mobile phone Bluetooth can control the car forward,backward,turn right or left,and other actions.Key words：Two-wheel Self-balance Car ；Gyroscope；Angle Acceleration Sensor；XS128 Single Chip Microcomputer目录第1章绪论 (1)1.1 背景 (1)1.2 选题的目的和意义 (1)1.3两轮自平衡小车的国内外研究现状 (2)1.3.1 两轮自平衡小车在国外的研究现状 (2)1.3.2 两轮自平衡小车在国内的研究现状 (4)1.4 主要的研究内容 (5)第2章两轮自平衡小车的原理 (6)2.1 两轮自平衡小车直立运动分析 (6)2.2 小车的平衡控制 (6)2.3 小车的角度和角速度测量 (8)2.3.1 加速度传感器 (8)2.3.2 陀螺仪 (8)2.4 小车的速度控制 (9)第3章两轮自平衡小车的电路和程序设计 (10)3.1 两轮自平衡小车电路设计 (10)3.1.1 小车的整体电路框图 (10)3.1.2 单片机最小系统 (11)3.1.3 陀螺仪和加速度计传感器电路 (11)3.1.4 电机驱动电路 (12)3.1.5 电源模块电路 (13)3.2 两轮自平衡小车程序设计 (13)3.2.1 程序的功能和流程框架 (13)3.2.2 各个模块的程序 (15)第4章两轮自平衡小车的制作和调试 (33)4.1 小车的承载部分制作 (33)4.2 小车传感器的安装 (33)4.3 小车的调试 (34)4.3.1 小车调试条件 (34)4.3.2 小车调试 (34)4.3.3 参数调试 (35)第5章结论 (36)附录 (37)附录1 电路原理图 (37)附录2电路PCB图 (37)附录3 小车直立图片 (38)参考文献 (39)致谢 (40)第1章绪论1.1 背景近年来，随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，所面临的环境和任务也越来越复杂。
智能车两轮自平衡小车系统毕业论文
摘要近年来，两轮自平衡机器人的研究取得了快速的发展，两轮自平衡小车的动力学系统是一种多变量、非线性、强耦合的系统，是检验各种控制方法的典型装置。
同时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，必将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。
本文主要介绍了基于Freescale MC9S12XS128单片机为控制核心的两轮自平衡小车系统，以验证经典的PID控制在动态平衡系统上的控制效果。
在该系统上，姿态传感器采用MPU6050，单片机在采集到姿态数据后，采用Kalman滤波器对得到的数据进行融合，并在此基础上分析不同滤波方法的效果。
借助增量式PID控制PWM的输出和利用TB6612FNG控制电机的转向以及转速，从而实现了小车的自平衡控制。
关键词：两轮自平衡系统； Kalman滤波；数据融合； HCS12； MPU6050 .Design and implementation of two-wheeled self-balancing vehicleAbstractIn recently years, the research of two-wheeled self-balancing robot has made a rapid development, the dynamics system of two-wheeled self-balancing vehicle is a multivariable, nonlinear, strong coupling system, and also ，it’s a typical devices to test a variety of control methods. Because of it has a small, flexible movement and zero turning radius. It will have a wide range of applications in military and civilian fields.In the article, it describes the Freescale MC9S12XS128 microcontroller-based control of two-wheeled self-balancing vehicle system to verify the classic PID control system in the dynamic balance . On this system, It used MPU6050 as the car state sensing system, and it used the Kalman filter to fuse the obtained angle data, and analyzed the effect of different filtering methods based on this. With incremental PID control PWM output and use TB6612FNG steering and speed control motors, enabling the car's self-balance control finally.Keywords: two-wheeled self-balancing system; the Kalman filter;HCS12;MPU6050目录摘要 (1)第1章绪论 (4)1.1 两轮自平衡机器人概述 (4)1.2 两轮自平衡机器人的发展 (4)1.3 方案论证及选择 (5)1.4 关键技术及目标 (6)1.4.1 姿态数据处理 (6)1.4.2 控制算法的实现 (7)1.4.3 目标 (7)第2章两轮自平衡小车的原理 (8)2.1 小车的直立控制 (8)2.2 倾角与角速度的测量 (12)2.3 本章小结 (12)第3章电路设计 (13)3.1 整体电路框图 (13)3.2 电源电路 (14)3.3 单片机最小系统 (15)3.3.1 S12单片机简介 (15)3.3.2 MC9S12XS128最小系统电路 (15)3.4 MPU6050 (16)3.4.1 MPU6050简介 (16)3.4.2 I2C通信 (17)3.5 电机驱动电路 (17)3.5.1 驱动芯片介绍 (17)3.5.2 驱动电路设计 (18)3.6 速度传感器电路 (19)3.6.1 光电编码器介绍 (19)3.7 无线遥控电路 (19)3.7.1 Pt2262简介 (19)3.7.2 Pt2262应用 (20)3.8 液晶显示电路 (21)3.8.1 LCD1602简介 (21)3.8.2 LCD1602电路 (21)3.9 车模控制电路全图 (22)3.10 本章小结 (24)第4章系统软件设计 (25)4.1 控制算法介绍 (25)4.2 S12单片机初始化 (26)4.2.1 锁相环初始化 (26)4.2.2 PWM模块初始化 (26)4.2.3 串行通信初始化 (26)4.2.4 外部中断初始化 (27)4.3 PID控制的实现 (27)4.4 姿态数据处理 (27)4.4.1 角度计算函数 (27)4.4.2 滤波方法分析与选择 (27)4.5 小车的运动控制 (31)4.6 无线遥控 (31)4.7 本章小结 (31)第5章系统调试 (33)5.1 软件调试工具 (33)5.2 系统调试工具 (33)5.3 系统硬件电路调试 (33)5.4 姿态检测模块调试 (33)5.5 Kalman滤波器参数的整定 (35)5.6 PID参数的整定 (35)5.7 本章小结 (36)第6章总结 (37)6.1 总结与展望 (37)参考文献 (39)附录 (41)附录一系统主控板 (41)附录二系统核心源码 (42)致谢 (45)第1章绪论两轮自平衡系统最早可追溯到上世纪80年代，日本电气通信大学的山藤一雄教授提出的基于倒立摆原理的自动站立机器人的模型被认为是两轮自平衡小车的构思起源。
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。
两轮自平衡车平衡控制系统的研究
自从在2008年北京奥运会上的精彩亮相，两轮自平衡车在中国市场已经逐渐为大众所接受。节能环保、便携新颖，两轮自平衡车以其独特的优势博取人们的青睐。又两轮自平衡小车以其一级倒立摆结构成为控制算法验证实现的独特平台。因此，两轮自平衡小车有较高的研究价值。本设计的重点是抓住两轮自平衡车的基础即平衡控制进行系统设计，结合姿态解算数据融合算法驱动直流电机以实现两轮小车的平衡控制。
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。
由控制理论可知三个分解后的子系统的控制对象相同，因此他们之间存在系统耦合。为便于分析，在分析一个子系统时，假设另外两个控制对象已经达到稳定状态。譬如，在平衡控制时，假设速度和方向控制实现平稳；同样，在速度控制时，假设已经可以保持平衡状态。
在三个子系统中以平衡控制系统最为关键。但从车体平衡控制的角度来看，另外两个控制成为它的干扰。因而自平衡小车的方向和速度的控制应尽可能的保持平滑，以减少对平衡控制系统的干扰。以小车的速度控制为例，需要通过改变车体倾角的设定值来改变车体的实际倾角，达到速度控制的要求。同时，为了不对车体的平衡控制造成干扰，车体倾角的变化应该非常缓慢的进行。三者之间的配合如图2-1所示。
①两轮自平衡车作为代步工具，以其便携、灵活的特点为优势，可以在人员流动量大且占地面积大的公园、商场、展览馆、游乐场等作为首选代步工具。因此具有广阔的市场前景及应用价值。
两轮平衡车原理
两轮平衡车原理两轮平衡车，又称电动平衡车、独轮平衡车，是一种个人电动代步工具，近年来在城市出行中越来越受到人们的青睐。
它以其独特的外形和便捷的操控方式，成为了现代都市生活中不可或缺的一部分。
那么，两轮平衡车是如何实现平衡和操控的呢？接下来，我们将深入探讨两轮平衡车的原理。
首先，两轮平衡车的平衡原理是基于动力学和控制理论的。
它采用了一种称为“动态稳定”的原理，即通过智能控制系统对车辆进行实时监测和调整，以保持车辆的平衡状态。
这一原理类似于人类行走时的平衡感觉，当人的身体稍微倾斜时，脚部肌肉会迅速做出反应，使身体保持平衡。
而两轮平衡车则通过内置的陀螺仪和加速度传感器，实时感知车辆的倾斜状态，并通过电机和控制系统进行及时的调整，以保持车辆的平衡状态。
其次，两轮平衡车的操控原理主要依靠身体的重心转移。
当骑手想要前进时，只需向前倾斜身体，车辆便会根据重心的变化前进；反之，向后倾斜身体，则车辆会后退。
此外，向左或向右倾斜身体，车辆也会相应地向左或向右转向。
这种操控方式简单直观，使得两轮平衡车成为了一种容易上手的代步工具。
除了平衡和操控原理外，两轮平衡车还采用了先进的电动技术。
它通常由电机、电池、控制系统等组成，电机通过传动装置驱动车轮转动，而电池则为电机提供能量，控制系统则负责监测车辆状态和操控信号的处理。
这些技术的应用使得两轮平衡车不仅能够实现平衡和操控，还能够在城市中快速、便捷地行驶。
总的来说，两轮平衡车的原理是基于动态稳定的平衡原理和身体重心转移的操控原理，通过先进的电动技术实现。
它以简洁、便捷的操控方式，成为了现代城市出行的新选择。
随着科技的不断进步，相信两轮平衡车在未来会有更广阔的发展空间，为人们的出行带来更多的便利。
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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【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 。
（１）两轮 车 的平 衡控 制 ： 以两 轮 车倾 角为 输入 量 ，通过 控 制两 个 电机 的 正反 转保 持小 车衡 。
（２）两轮 车 的速 度控 制 ：在保 持平 衡 的基 础上 ，通 过调 节 小车 倾 角实 现 对速 度 的控 制 ，实 际上 还 是演 变为 对 电机 的控 制实 现 小车 的 速度 控 制 。
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ·技 术 交 流
两轮 自平衡车的研 究
桂 林 电子科技 大 学信 息科技 学院 度不稳定两轮机 器人 ，是一种特殊轮式移动车，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。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 ，高速 中央 处理 器ＡＴｍｅｇａｌ６ＪｆｉＰＩＤ算 法运 用 卡 尔曼 滤波 得 出的 更优 倾 角近似 值 。求 出驱 动 电机 的 占空比ＰＷＭ ，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 车的驱 动 电路 ，实现 了两轮 车 的硬 件 控 制 系统 。
根据 系统要求 ，两轮 车必须 要能够在 无外 界干预 下依靠一对 平行 的车轮 保持平 衡，并完 成 前进 ，后 退 ，左 右转弯 等动作 。分析 系统要 求 可知 ，保持 两轮车 的直立和 运动 的动力 都来 自于车子 的两 只车 轮 ， 车 轮 由两只空 心杯直流 减速 电机组 成 。驱 动器采 用差动 驱动方式 。 因 此 ，从 控制 角度来 看 ，可 以将小 车 作为 一 个控 制 对 象 ，控 制输 入 量 是两 个车 轮 的转 动速 度 。整个 控 制系 统可 以分 为三 个子 系 统 ：
定 。 比如 在速 度 控制 时 ，需要 小 车 已经能 够保 持 直立 控制 ；在 方 向 控制 时 ，需要 小 车能 够保 持平 衡 和速 度恒 定 ； 同样 ，在 小车平 衡 控 制时 ，也 需要 速 度和 方 向控制 已经达 到平 稳 。这 三个 任务 是 保持 小 车平 衡是 关键 。由于 小车 同时受 到三 种控 制 的影 响 ，从 小车 平衡 控 制 的角度 来看 ，其它 两个 控制 就 成为 干扰 。因此 对 小车速 度 、方 向 的控 制应 该尽 量 保持 平滑 ，以减 少对 平衡 控制 的干扰 。以速 度调 节 为例 ，需要通 过 改变 车模 平衡 控 制 中小车 倾 角设 定值 ，从而 改变 车 模实 际倾 斜 角度 ，达 到速 度控 制 的要 求 。为 了避 免影 响 车模 平衡 控 制 ，这个 车模 倾 角 的改变 需 要非 常缓 慢 的进 行 。其 中平衡 控 制是 系 统 的最基 本要 求 ，也是 整个 控制 系统 的难 点 。
３ 两轮 自平衡小车软件设计
ｋａｌｍａｎ融 合取 得 角度 、角 速度 。本文 对传 感器 两 者所 采 集 的数据 进
２ 两轮平衡 车总 设计 方案
本 设 计 利 用ＡＴｍｅｇａ１６单片 机 进行 系 统 控制 ，通 过接 收 和 处理 系 统 中 各个 模 块 的数 据 ，利 用 Ｃ语 言编 程完 成 整个 系 统 不 同模 块 的 控 制 。对 驱 动板 控制 以及传 感器 数据 处 理是 组 成该 系 统的 核 心。根 据 两 轮 自平 衡车 的特 性 ，使 用加 速度 传 感器 以及 陀螺仪 两 种惯 性 导 航 传 感器 来 采集 车体 的倾角 姿态 信 息 ，空 心杯 直流 减速 电机 自带 光 电编 码 器 用 以采 集 电机 速 度信 息 。主 控制 芯 片采 用 ＡＴｍｅｇａ１６微 控 制器 来 完成 对数 据采 集 以及 处 理 、对 车体 姿态 计 算和 判断 、 空心 杯 直流减 速 电机控 制及其他 外围的控制等 功能 。