云南师范大学大学生科研训练基金项目申请书

学科分类号（二级）

云南师范大学大学生科研训练基金项目

申请书

项目名称

项目类型

申请金额

项目类别

申请者

所在学院

联系电话

电子信箱

指导教师

云南师范大学教务处

填表说明

一、填写《申请书》前，请先查阅《云南师范大学大学生科研训练基金管理办法》

和相关通知。

二、申请书各项内容，必须实事求是，表达要明确严谨，并要求用打印。对于填

写不合要求、内容含糊不清、字迹潦草者，不予受理。

三、项目类型：选填重点项目或一般项目。

四、项目类别：选填自然科学或社会科学。

五、“项目性质”和“项目来源”栏需在选项前方的括号内填入相应代码。

六、封面的项目编号由教务处统一编写。

七、打印格式：

（一）纸张为A4大小，双面打印；

（二）文中小标题：五号、黑体；

（三）栏内正文：五号、宋体。

八、上报《申请书》一式二份（至少含一份原件）。申请项目获准后，《申请书》

由学校签署意见并保存一份，另一份返回学院存档。

基本信息

一、研究目的（研究主攻方向、拟解决的主要问题，用一、两句话简洁明确说明。）两轮自平衡小车智能控制研究。

二、立项依据（包括科学意义和应用前景，国内外研究概况、水平和发展趋势，学术思想，立论依据，特色或创新之处，主要参考文献目录和出处。）

环保流行于当下，自平衡车巧妙地利用地心引力使其自身保持平衡，并使得重力本身成为运动动能的提供者，载重越大，行驶动能也就越大，具有环保的特点。驾驶者不必担心掌握平衡，车体自身的平衡稳定性，使得原本由于平衡能力障碍而无法骑自行车的人群也同样可以驾驭。车身小巧，转弯灵活，可以在狭窄、大转角的工作场合作业。自平衡车的种种优点使其可以作为一种快速、环保、安全、舒适、小巧灵活的绿色交通工具，是未来汽车和自行车的替代品，其市场的广阔性与经济效益不言而喻。

美国、日本、瑞士等国家在研究自平衡车领域起步较早，目前已经达到了先进的水平。国内的一些高校以及科研机构也对其有所研究，并取得了一定的成绩。美国Lego公司Steve Hassenplug设计了两轮自平衡传感式机器人Legway。实现了电机差动驱动方式，遥控操作，可以向前，向后和转弯时保持平衡，可以实现U型回转和零半径转弯。Legway是第一个自平衡机器人。采用了模块化的结构设计，安装和拆卸都很方便。

日本村田制作所的科学家研发了骑独轮车的机器人“村田顽童”和“村田婉童”。保持左右平衡通过转动机器人体内配备的惯性轮来实现。

瑞士联邦工学院的工业电子实验室为模拟人类行走设计并制造了一个基于倒立摆理论的两轮小车，该小车使用DSP控制，车架上方附有重物模拟实际车中的驾驶员，该小车使用陀螺仪和电机编码器得到的信息来稳定系统。

在国内哈尔滨工业大学设计的HITBot两轮自平衡小车，采用Accodometry方法，通过融合码盘和加速度级数据对位置进行估计，有效解决了两轮自平衡小车在运行过程中遇到打滑、越障、碰撞等异常事件而导致的位置估计失败的问题，解决了非系统测程法误差对机器人位置估计的影响，降低了加速度级固有漂移的不利影响，提高了两轮自平衡车的定位精度。

深圳职业技术学院等设计的两轮自平衡小车Opyanbot，应用最优控制与两轮差动等控制方法设计了控制器,提出了针对两轮自平衡机器人平衡和行进的新策略。为了提高两轮自平衡机器人的控制效果,利用基于DSP数字电路的全数字智能伺服驱动单元IPM100分别精确控制左右轮电机,并利用上位机实时控制机器人的运动状态,提高了控制精度、可靠度和集成度,得到了很好的控制效果。

目前，国内外现有的两轮自平衡机器人一般都是以倒立摆的结构模型为基础，根据机器人质心位置是否可变，分为定

质心和变质心两大类。目前的研究热点是质心两轮自平衡机器人的研究。

对于两轮自平衡机器人位置与姿态信息的获取，一般选择陀螺仪、加速器计倾角传感器、测距仪等传感器，通过数据融合得到其位姿态信息。

软件是控制系统的灵魂，良好的控制算法是系统性能的保障。两轮自平衡机器人本质上上具有强非线性的倒立摆系统，当前多采用极点配置法来进行平衡控制，例如台湾国立中央大学也采用模糊控

制。但是实验证明对于两轮自平衡小车而言模糊控制的变现更为优异。这两种控制方法是目前普遍采用的两轮自平衡小车的控制算法。

[1]王效杰. 基于变结构控制的两轮自平衡小车系统设计与实现[D]. 西安电子科技大学，

2006，10(13)：23-26.

[2]冯智勇，曾瀚，张力等. 基于陀螺仪及加速度计信号融合的姿态角度测量[J]. 西南师范

大学学报(自然科学版)，2011，24(4)：12-15.

[3] 张志强. 基于STM32的双轮平衡车[J]. 电子设计工程，2011，35(2)：11-16.

[4] 两轮自平衡小车系统制作研究蒋纬洋邓迟肖晓萍

．西南科技大学工程技术中心智能机器人创新实践班绵阳（应用天地）2012年6第31卷第6期

[5] 郑钧元．两轮自平衡机器人之平衡控制［D］．台湾：台

湾国立中央大学，2003．

[6] 一种新型两轮自平衡小车的建模与控制[M]丁凤．2012年01月11日

三、研究内容（说明研究项目的具体内容）

本设计中使用双环PID控制实现小车的平衡控制。信号流图如图1所示。

图1 PID控制流图

采用双环PID控制，内环为速度环，用于控制电机输出，使车轮转速与角度环输出值保持一致；外环为角度环，用于保持小车倾斜角度为0。图中U为系统输入，即小车倾斜角度的目标值，该值一直为0。

X

0为系统角度环输出值，即小车电机转速目标值。

X为轮子转速，Y为

1

小车实际的倾斜角度。Z为系统扰动输入由于本设计采用锂电池供电，电源的输出功率有限，而且调整小车倾角时电机需要频繁起制动，