自平衡两轮车资料
双轮平衡车原理
双轮平衡车原理
双轮平衡车是一种智能交通工具，它可以通过感应和控制器的协同作用来保持平衡。
其原理是基于倒立摆的控制理论和陀螺效应。
在双轮平衡车的车身上，有一个称为陀螺仪或加速度计的传感器，用于检测车身的倾斜角度和加速度。
陀螺仪可以感知车身的前后倾斜，加速度计可以感知车身的左右倾斜。
当操纵者希望车辆保持平衡时，控制器会接收到陀螺仪和加速度计传感器的数据，并进行分析和计算。
根据车身的倾斜角度和加速度，控制器会发送指令给车身上的电机。
根据指令，电机会分别给两个轮子提供不同的动力，从而使得车辆可以保持平衡。
如果车辆向前倾斜，控制器会让后轮旋转更快，向后输出动力，使车辆恢复平衡。
如果车辆向后倾斜，控制器会让前轮旋转更快，向前输出动力，同样可以使车辆恢复平衡。
这种通过感应器和控制器的反馈调节，使得双轮平衡车能够自动保持平衡的原理就是基于倒立摆的控制理论和陀螺效应。
通过不断地调整电机的转速和输出动力，车辆可以保持在一个平衡的状态，从而实现平稳行驶。
自平衡两轮车
自平衡两轮车1. 引言自平衡两轮车是一种自动保持平衡的交通工具，它利用先进的控制算法和陀螺仪传感器来感知倾斜状态并作出相应的调整，从而实现自动平衡。
这种交通工具不仅在个人出行中具有潜力，也广泛应用于物流和运输行业。
本文将介绍自平衡两轮车的原理、构造和应用，并讨论其未来发展的趋势。
2. 原理自平衡两轮车的平衡原理基于倒立摆的动力学控制。
陀螺仪传感器测量车体的倾斜角度，并通过控制算法向电机提供相应的指令，使得车体能够自动调整倾斜角度并保持平衡。
具体来说，当车体向前倾斜时，控制算法会增加后轮的速度，使车体向后倾斜；当车体向后倾斜时，控制算法会增加前轮的速度，使车体向前倾斜。
通过不断调整速度，车体最终能够保持平衡状态。
3. 构造自平衡两轮车通常由以下几部分组成：3.1 车体车体是自平衡两轮车的主要支撑结构，它一般由轻质材料制成，如铝合金或碳纤维，以确保整车的重量轻便但又足够坚固。
3.2 电机自平衡两轮车通常配备一对电机，它们分别安装在前轮和后轮上。
电机通过控制算法接收来自陀螺仪传感器的指令，并根据指令调整车轮的转速，从而实现车体的平衡。
3.3 陀螺仪传感器陀螺仪传感器是自平衡两轮车的核心感知装置，它能够测量车体的倾斜角度，并将测量结果传输给控制算法。
陀螺仪传感器通常采用微机电系统（MEMS）技术构造，具有高精度和低功耗的特点。
3.4 控制算法控制算法是自平衡两轮车的智能核心，它根据陀螺仪传感器的数据进行实时计算，并通过控制电机的速度来调整车体的倾斜角度。
常见的控制算法包括PID控制和模糊控制等。
4. 应用自平衡两轮车在各个领域都有广泛的应用前景，其中一些典型的应用包括：4.1 个人出行自平衡两轮车类似于电动滑板车或自行车，可以用于日常短途出行。
它们具有小体积、轻便易携和零排放等特点，成为城市交通中一种新的个人出行方式。
4.2 物流配送自平衡两轮车可以被用于物流和快递配送行业，尤其适用于城市狭窄道路和人行道。
风行者-自平衡两轮车设计说明
“风行者”-自平衡两轮车设计说明图1.“风行者”-自平衡两轮车设计草图“风行者”自平衡两轮车不仅是交通工具，还是一个新概念的健身器材。
“风行者”-自平衡两轮车内部有一个跑步踏板,驾驶者可以在踏板上行走或者跑步,车子根据驾驶者的步速调整车速。
图2.内部踏板驾驶者可以通过车内的交互系统设置速度差比例。
最高可设置10倍速度差，例如人步行每小时5公里，如果设置5倍速度差，“风行者”将以每小时25公里的时速前进。
如果设置10倍速度差，“风行者”将以50公里每小时的速度前进。
由于安全的因素，“风行者”最高可以设置10倍速度差比例。
图3.通过车内交互系统设置速度差由于“风行者”采用了与传统的车辆完全不同的驾驶方式，因此车辆的转弯需要依靠驾驶者的身体语言来控制，在奔跑的过程中驾驶者通过倾斜身体来控制车子行进的方向，“风行者”监测到身体倾斜的角度后通过电脑控制车辆的转弯方向和角度。
“风行者”没有传统车辆的转弯结构，转弯是依靠两个车轮的旋转方向和旋转差速实现车辆转弯。
图4.方向控制示意图“风行者”利用人类走路或者跑步时的平衡模式原理，使车仓在运动模式下保持空间平衡。
“风行者”在驾驶者驾驶过程中全程监测驾驶者身体状态。
一旦发现驾驶者身体出现意外状况，就会自动接通医院急救电话和驾驶者的亲属，并告知其原因和地点。
并自动将车辆安全停靠到安全地带，等待救援人员到来。
图5.安全实时监控“风行者”采用电能作为动力能源。
可以采用家庭交流电和加电站为“风行者”充电。
“风行者”采用快速充电技术，可以在极短的时间内为“风行者”充满电能。
另外“风行者”可以将驾驶人员跑步所产生的的能量转为电能，使资源利用最大化。
图6.充电示意图当驾驶人员疲惫后，但又没有到达目的地，“风行者”可以切换为自动驾驶模式，弹出隐藏的座椅。
并根据设定好的目的地自动识别路线，自动避让车辆，将驾驶者安全快速的送达到目的地。
图7.隐藏式座椅由于“风行者”独特的车身结构，无法采用传统车辆“车轴”式的模式。
自平衡双轮小车
前面的机器人项目以太阳能为动力的占多数，玩的话要么是大白天还要等出太阳，要么还要自己点个大灯泡，现在我们换种类型调剂一下，做一个特别一点的机器人——自平衡双轮小车。
本项目只有一个简单的电学电路，依靠一个简易的反馈机构，却实现了被称之为高技术难度的自平衡小车。
本项目自平衡双轮小车的原理，其实就是靠小车前后来回运动保持平衡，原来考虑“来来回回”文艺一点可以称为“徘徊”，但是后来某网友看完视频之后有一给力的评语——忐忑，加上这也是近来网络流行语，同时也确实能够反映实际运行效果时那种焦躁不安的感觉，所以最后定名为“忐忑者”，哈哈。
一、基本原理1.1、运动机理1.2、控制原理1.3、电路原理二、准备工作三、制作过程3.1、传动机构3.2、传感器3.3、底盘结构3.4、动力系统3.5、电源系统3.6、总装3.7、调试四、效果展示五、完善升级六、项目总结一、基本原理本项目机器人是一辆简易型的双轮自主平衡小车，通过一个简单的机械式传感器获取小车的姿态，并通过调节小车前后运动方向，使得小车依靠两轮也能保持一个直立平衡。
1、运动机理双轮小车的自主平衡原理，其实就是不断的通过改变小车前后运动的方向，使小车的车身在竖直方向上保持一个动态的直立平衡。
就类似杂技演员表演独轮车一样，需要不断的前后踩脚踏板使小车在前进和后退间不断变换，以保持一个平衡。
这个具体的平衡原理如下：1、双轮自平衡小车一般长得都比较“高”，也就是重心位置比较高，位于车身底部的两个车轮是平行安装的，默认静止状态小车是无法保持一个直立的状态的。
2、如果车轮带动小车前进，小车下半身会比上半身先获得前进的加速度，即启动的瞬间小车的下半身前进而上半身静止，则会出现小车趋向后仰的状态。
就类似汽车突然加速，我们身体会感到一个后仰的趋势。
3、如果车轮带动小车后退，小车下半身会比上半身先获得后退的加速度，即启动的瞬间小车的下半身后退而上半身静止，则会出现小车趋向前倾的状态。
两轮自平衡小车的设计
两轮自平衡小车的设计设计原理：两轮自平衡小车的设计原理基于倾角控制算法和正反馈控制理论。
当车身发生倾斜时，传感器将感知到倾角，并通过控制算法计算出合适的电机控制信号，使车身产生逆倾的力矩，从而使车身重新回到平衡状态。
当车辆向前倾斜时，电机会产生足够的力矩向前旋转，使小车向前加速，反之亦然。
通过不断监控和调整车体的倾角，小车能够保持平衡，并根据用户的指令进行前进、后退、转弯等动作。
硬件组成：1.IMU：IMU是最核心的传感器之一，通常由陀螺仪和加速度计组成。
陀螺仪用于测量车身的旋转角速度，加速度计则用于测量车身的倾角。
通过对陀螺仪和加速度计测量结果的融合，可以得到较为准确的车身姿态信息。
2.电机驱动器：电机驱动器用于控制电机的转速和方向。
它接收来自控制器的电机控制信号，并根据信号的大小和方向来调整电机的运转。
常见的电机驱动器有H桥驱动和PWM调速电路。
3.电机：两轮自平衡小车通常采用直流电机作为动力源。
电机的规格和功率根据车辆的大小和负载来确定。
一般情况下，电机的转速和扭矩越高，小车的稳定性和运动性能越好。
5.控制器：控制器是小车的主要计算和决策中心。
它接收来自IMU的姿态信息，通过算法计算出电机控制信号，并将信号传递给电机驱动器。
控制器通常采用单片机或微控制器作为基础，并配备相应的传感器接口、通信接口和控制算法。
软件控制：1.姿态控制算法：姿态控制算法通过对IMU传感器测量数据的处理，确定小车的倾角，并根据倾角的变化来计算电机的控制信号。
常见的姿态控制算法有PID控制器和卡尔曼滤波算法等。
2.运动控制算法：运动控制算法用于实现小车的前进、后退、转弯等动作。
它通过根据用户的指令调整电机的转速和方向，使小车按照预定的路径和速度运动。
常见的运动控制算法有速度控制和位置控制等。
3.用户界面：用户界面是与用户交互的界面，用于发送指令和接收反馈信息。
用户可以通过按钮、摇杆等设备来控制小车的运动，并通过显示屏、LED灯等设备来获取小车的工作状态。
自平衡两轮车
自平衡两轮车自平衡两轮车是一种基于动力学控制原理，能够自动保持平衡的交通工具。
它以其独特的设计和良好的操控性能，成为了现代城市交通中的一大亮点。
本文将从两个方面探讨自平衡两轮车的原理和应用。
一、原理自平衡两轮车的原理基于动力学控制。
它内部集成了多个传感器，如陀螺仪、加速度计和倾斜传感器等，用于感知车体的倾斜角度和加速度等数据。
基于这些数据，自平衡两轮车通过自动调整电机的力矩大小和方向，从而实现对车体平衡的控制。
在车体倾斜时，陀螺仪和加速度计会检测到倾斜角度和加速度等信息，并将这些信息传递给控制系统。
控制系统会根据这些信息计算出所需的力矩，并通过电机来实现平衡。
当车体发生倾斜时，电机会根据计算出的力矩，产生相应的力，使得车体恢复平衡。
此外，倾斜传感器在自平衡两轮车的平衡过程中起到了非常重要的作用。
倾斜传感器能够准确地检测到车体的倾斜程度，并将这些数据传递给控制系统。
控制系统根据倾斜传感器的数据，计算出平衡所需的力矩，并通过电机来实现车体的平衡控制。
二、应用自平衡两轮车具有很广泛的应用领域。
首先，它在个人出行方面有着巨大的潜力。
由于自平衡两轮车体积小、操控灵活，适合在城市中作为短途出行的选择。
它不受拥堵的限制，可以轻松穿行于人流和车流之间，同时又不会对环境造成过大的破坏。
此外，在物流配送领域，自平衡两轮车也有着广泛的应用前景。
配送行业对于效率和速度有着较高的要求，而自平衡两轮车的操控性能使得它非常适合作为快递员的代步工具。
快递员可以通过自平衡两轮车快速穿梭于城市中，快速完成配送任务，提高配送效率。
此外，自平衡两轮车还可以应用于旅游和娱乐领域。
在旅游景区，游客可以通过租用自平衡两轮车来方便地游览景点，既减轻了体力负担，又能够充分欣赏风景。
在娱乐场所，自平衡两轮车也成为一种时尚的娱乐设备，吸引了越来越多的年轻人参与。
总之，自平衡两轮车以其独特的设计和良好的操控性能，在现代城市交通中扮演着重要的角色。
它的原理基于动力学控制，并集成了多种传感器，用于实现对车体的平衡控制。
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。
两轮平衡车课件
五、项目实施——机器人调试
实物调试时，先用手轻扶，尽量使其保持平衡， 在轮子和摆锤没有大幅变化后，慢慢松开，两轮 小车即可通过两轮及摆锤的转动实现自主平衡。
六、总结提高
本项目控制原理及算法复杂，同时采用Keil C 软件直接对Luby控制器进行开发，总体难度较 大，注意事项如下：
√ 机器人安装时要尽量保证两臂的对称，摆 锤上使用的舵机安装前必须首先恢复中位, 安装时需要尽量保证竖直，保证机器人的重 心不偏离几何中心。
控制两轮平衡车搭建手册
五、项目实施——机器人搭建
舵机 ID号
舵机位置
备注
1
前轮
电机模式
2
后轮
电机模式
3
摆锤
舵机模式
五、项目实施——流程图绘制
2.5ms 中断函数
开始
对左红外采样
中断初始化
对右红外采样
舵机初始化
PID计算
while(1)循环
设置舵机速度、 角度
√ △h>0：机器人右倾，轮子应顺时针转动，ω> 0，摆锤逆时针转动α<0
√ △h=0：机器人平衡，轮子不转动，ω=0，α
=0
控制原理
两轮平衡车运动示意图
四、学习资讯
对于PID算法来说，两轮转速ω与摆锤转角α对应
输出值u（k），△h相对于平衡时的差值对应输入 偏差值ek，只需要套用PID算法公式，调整好控制 的周期和Kp、Ki和Kd三个参数就能够让机器人实 现动态平衡。
两轮平衡车
二、项目描述
两轮平衡车
一、项目背景
六、总结提高
三、功能分析 四、学习咨讯
五、项目实施
一、项目背景
• 两轮自平衡机器人的概念，最早是在1987年由 日本电信大学教授山藤一雄提出来的。这个 概念就是用数字处理器来检测平衡状态的改变， 然后以平行双轮来保持机器的平稳。
两轮平衡小车说明书
电气电子工程学院自主创新作品两轮平衡小车摘要两轮自平衡小车具有体积小、结构简单、运动灵活的特点，适用于狭小和危险的工作空间，在安防和军事上有广泛的应用前景。
两轮自平衡小车是一种两轮左右平衡布置的，像传统倒立摆一样，本身是一种自然不稳定体，其动力学方程具有多变量、非线性、强耦合、时变、参数不确定性等特性，需要施加强有力的控制手段才能使其保持平衡。
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dvr8800控制小车两个电机，来使小车保持平衡状态，通过2.4G模块无线通讯进行遥控来控制小车运行状态。
关键词：智能小车；单片机；陀螺仪。
目录一．前言 (4)一．两轮平衡车的平衡原理 (4)2.1 平衡车的机械结构..........................................................................错误!未定义书签。
2.2 两轮车倾倒原因的受力分析 (4)2.3 平衡的方法 (5)三．系统方案分析与选择论证 (5)3.1 系统方案设计 (5)3.1.1 主控芯片方案 (5)3.1.2 姿态检测传感器方案 (6)3.1.3 电机选择方案 (6)3.2 系统最终方案 (7)四．主要芯片介绍和系统模块硬件设计 (7)4.1.STM32单片机简介（stm32rbt6） (7)4.2.陀螺仪传感器 (8)4.3．TB6612 (8)4.4．编码器 (9)4.5. 主控电路 (9)4.6 电机驱动电路 (10)五．系统软件设计 (11)5.1 PID概述 (11)5.2 数字PID算法 (12)5.3 PID控制器设计 (13)六．硬件电路 (14)七．制作困难 (15)八．结论 (16)九．参考文献 (16)一．前言应用意义。
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(胡春亮等，2007)。
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。
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。
两轮自平衡车原理
两轮自平衡车原理
第一轮自平衡车原理：
自平衡车是一种能够在没有外部支撑的情况下保持平衡的交通工具。
它通过内置的陀螺仪感应器和加速度计来感知车体的倾斜方向和角度变化。
当车体倾斜时，这些传感器会感知到倾斜的幅度和方向，并向控制系统发送信号。
控制系统接收到传感器的信号后，会根据倾斜的幅度和方向来判断车体的平衡状态，并通过电机控制来实现平衡调节。
具体来说，控制系统会根据倾斜的方向调整电机的转速，使得车体朝相反的方向倾斜，从而达到平衡的效果。
此外，自平衡车还采用了闭环控制系统，即控制系统会不断地对车体的平衡状态进行监测和调整。
通过不断地反馈和调整，自平衡车能够在运动过程中实时保持平衡。
第二轮自平衡车原理：
自平衡车的第二轮原理类似于第一轮，但是在实现平衡的过程中采用了不同的机制。
第二轮自平衡车通常采用两个轮子来实现平衡。
与第一轮不同的是，第二轮自平衡车通过控制两个轮子的转速来实现平衡调节。
当车体倾斜时，控制系统会根据倾斜的幅度和方向来调整两个轮子的转速。
具体来说，如果车体向前倾斜，控制系统会增加后轮的转速，同时降低前轮的转速，以使车体向后倾斜，从而实现平衡。
反之，如果车体向后倾斜，控制系统会减小后轮的转速，同时增加前轮的转速，以使车体向前倾斜。
通过不断地调整两个轮子的转速，自平衡车能够在倾斜的情况下保持平衡。
而陀螺仪感应器和加速度计仍然起着感知车体倾斜的作用，并向控制系统提供反馈信号，以实现平衡调节。
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。
两轮平衡车原理
两轮平衡车原理
平衡车是一种基于动态稳定原理的个人代步工具，能够保持垂直方向的平衡状态并进行前后移动。
其工作原理主要包括两个方面，即倾角检测与动力控制。
1. 倾角检测：平衡车内置了一种倾角传感器，通常为陀螺仪或加速度计。
这些传感器能够感知平衡车倾斜的角度，并将倾斜角度的信息传输给控制系统。
2. 动力控制：平衡车根据倾斜角度的信息，通过内置的控制系统来实现动力控制。
控制系统可以分为三个主要组件：计算器、电机和电池。
- 计算器：计算器是平衡车控制系统的核心，它接收倾斜角
度传感器的信息，并进行实时计算和分析。
根据计算结果，计算器会发送指令给电机进行相应的调整。
- 电机：平衡车通常配备两个电机，分别安装在车轮上。
电
机可以根据计算器的指令来实现动力调整，以保持平衡状态。
当平衡车倾斜时，电机会自动调整转速，使车身回到平衡状态。
- 电池：平衡车使用电池作为动力源，通过供给电机所需的
电力来推动车轮。
电池的电能可以通过外部电源进行充电。
在平衡车的操作过程中，倾角检测和动力控制不断地进行反馈循环，使得平衡车能够自动调整车身姿态，达到平衡状态。
当用户倾斜身体或调整重心时，倾角传感器会检测到角度变化，
并将这个信息传输给计算器。
计算器会根据倾角传感器的数据来判断是否需要对电机进行调整，以使平衡车保持稳定。
总的来说，两轮平衡车利用倾角检测和动力控制的原理，实现了自动平衡功能。
这使得人们能够轻松地操纵平衡车进行代步或娱乐。
两轮自平衡电动车原理
两轮自平衡电动车原理
自平衡电动车是一种基于动力学原理的交通工具，通过内置的陀螺仪、加速度传感器等感知装置感知车身的倾斜角度和变化，然后根据这些数据控制电机输出的力矩，以实现车身的平衡。
在正常行驶过程中，当车身倾斜时，陀螺仪和加速度传感器将感知到这一变化，传输给车辆控制系统。
车辆控制系统通过分析这些数据，计算出平衡车身所需的力矩大小和方向，并通过电机控制器调整电机的输出。
如果车身前倾，控制系统将相应增加电机输出的力矩，使车身恢复平衡；如果车身后倾，控制系统将减小电机输出的力矩。
通过不断地调整电机的输出力矩，控制系统可以保持车身在平衡状态。
为了实现平衡，自平衡电动车通常采用双轮设计。
双轮之间通过一个转动机构相连接，使得两个轮子能够同时受到力矩的调控。
当车身倾斜时，转动机构会自动调整两个轮子的转速和方向，使得车身恢复平衡。
同时，转动机构还可以根据车辆的前进或后退指令，控制两个轮子的转速不同，以实现车辆的前进或后退。
除了陀螺仪和加速度传感器，自平衡电动车还会配备其他感知装置，如压力传感器、速度传感器等，用于感知车身的压力分布和速度变化，从而更精确地控制车辆的平衡。
此外，车辆控制系统还可以根据用户的操作指令，调整电机的输出力矩，实现转弯、加速、刹车等动作。
总之，两轮自平衡电动车通过感知车身倾斜角度和变化，并根
据这些数据控制电机输出力矩，以实现车身的平衡。
这种基于动力学原理的控制方式，使得自平衡电动车能够在无人驾驶或人机协同驾驶的情况下稳定地行驶。
两轮自平衡小车文档
四、演示算法：极点配置控制方法
Figure. 8
自平衡小车系统极点配置算法的 Simulink 框图
Figure. 9 小车的位移曲线
Figure. 10 小车系统的纵摇角曲线
一、两轮自平衡小车系统的特点
双轮自平衡小车是一种本质上不稳定的轮式机器人， 又称为两轮自平衡机器人。 两轮自 平衡小车模型与倒立摆模型很相似， 倒立摆的原理即为当摆倒向左边的时候， 角度编码器测 得摆杆不是竖直的而是有一定的角度， 把所得的角度反映给控制器， 为了维持摆与小车的相 对位置不变， 即摆的平衡状态， 这时根据现有摆杆角度而计算得到的控制力使小车同时向左 运动，这样就保持了系统的平衡。两轮自平衡机器人与倒立摆相似，也需要驱动电机来完成 两轮自平衡机器人是一类本 质上不稳定的移动机器人，其不稳定性、多耦合性、非线性、参数不确定性等特性，是验证 各种控制算法能力的优良装置。由于其自身体积轻巧，控制电压低，移动性能好，因此我们 可以在两轮自平衡机器人上验证我们所研究的控制算法。
系统二：左右转弯系统。
1 0 0 23.7097 0 0 0 83.7742
0 x 0 0 x 1.8332 C 1 0 0 4.9798
0 1 0 C 0 0 5.1915
Tilted
Figure. 1
Balanced
二、自平衡小车系统的结构和工作原理
Figure. 2
Figure. 3
Figure. 4
Figure. 5 两轮自平衡小车由以下几部分在组成： 带有每个轮子耦合到行星齿轮箱直流电动机的底 座，DSP 板用来实现控制，电动机的电力放大器，测量小车状态必要的传感器，无线电控 制单元接收器和垂直棒。电池固定在机器人内部，它们的重量可以模拟一个驾驶员。小车的 轮子直接连接在齿轮箱的输出轴上。控制软件使用在 Windows98/2000 上运行的 Matlab。使 用 Simulink 作为一个交互式的工具，用来建模，仿真和分析倒立摆系统。它能让你建立图 表，评估系统性能，改善你的设计。Matlab 仿真表明，控制一个两个轮子上各有一个发动 机的系统是确实可行的。为了成功地控制系统，要量化状态空间变量；或者直接测量，或者 通过适当的观测器。 直线位置和速度， 首摇角和速率可以很容易的由两个直流电动机上安装 的增量编码器决定（假定纵摇角和速率已知） 。纵摇速率由速率陀螺仪测量。控制系统是基 于两个不耦合的状态空间控制器：一个控制横轴周围的稳定性（纵摇） ，另一个控制纵轴上 的动态性（首摇） 。每个控制器输出一个转矩应用于它相关的轴线，一个去耦单元把这两个 信号转化为一个转矩分别应用于左边或者右边的发动机。 操作者通过无线电控制单元微系统 导航，对板上控制系统输送希望得到的直线速率和旋转速率。
参考资料电动自平衡车
参考资料1：自平衡电瓶车B为本词条添加义项名?自平衡电瓶车自平衡电动车是利用动态平衡原理控制前进及后退的高科技智能产品，随着身体的倾斜，可以随心所欲地控制行驶速度及前进方向。
由美国发明家狄恩·卡门（Dean Kamen）与他的DEKA研发公司（DEKA Research and Development Corp.）团队发明设计。
其运作原理建立在“动态稳定”的基本原理上，以内置的精密固态陀螺仪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，驱动马达来做到平衡效果。
自平衡电动车已被中国警方广泛使用。
1 主要类型自平衡两轮电动车自平衡独轮电动车2注意事项1、利用手带来保证驾驶的安全在还不能熟练驾驶时，利用手带可以帮助避免摔倒刮伤。
2、如何控制平衡1）自平衡独轮车是利用陀螺仪进行前后稳定的。
2）当身体前倾，自平衡独轮车会感知到动作进行加速；当身体后仰，自平衡独轮车也会控制电机减速以维持驾驶者与车体的平衡。
3不能上机动车道行驶相关法规还未对电动平衡车性质和使用方式作明确规定，但绝对不能上机动车道行驶，存在很大危险。
警方提醒市民，驾驶这种平衡车在其他道路上时一定要注意安全，控制车速。
3设计原理电动平衡车的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，驱动马达来做到平衡的效果。
假设我们以站在车上的驾驶人与车辆的总体重心纵轴作为参考线。
当这条轴往前倾斜时，智能平衡车车身内的内置电动马达会产生往前的力量，一方面平衡人与车往前倾倒的扭矩，一方面产生让车辆前进的加速度，相反的，当陀螺仪发现驾驶人的重心往后倾时，也会产生向后的力量达到平衡效果。
因此，驾驶人只要改变自己身体的角度往前或往后倾，智能平衡车就会根据倾斜的方向前进或后退，而速度则与驾驶人身体倾斜的程度呈正比。
自平衡双轮车
双轮自平衡小车由机械系统和电气系统组成。 机械系统如图所示：
速度传感器 Arduino主板 速度传感器 电机 电源 车轮
其各部分关系如图所示： 控制 提供电源 驱动
电气系统是实现控制的核心。 其构成如图：
控制端通过远程蓝牙通信模 块和电位器调节PID参数，对小 电位器 车的运动状况进行实时调节， 显示屏上可显示出小车的速度， Meg2 角加速度以及PID参数等数据！ 56扩 当然，通过按钮也能够控制 展板 小车的运动方向！
主机蓝牙 六轴 陀螺 仪
Nokia5110 显示屏
按键
从机 蓝牙 模块
Arduino
方向控制 PID控制
调整参数
信号发送通讯
自平衡小车的原理：
自平衡小车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。 当处于平衡态的小车受到干扰或者运动指令时，破坏 了原有的的平衡时，其内置的精密六轴陀螺仪（SolidState Gyroscopes）迅速判断车身所处的姿势状态以及角 度偏差等，透过精密且高速的中央微处理器计算出适当的 指令后，驱动两个步进马达的转速和旋转方向，来做到快 速准确地重新达到平衡的效果。
通过 蓝牙 传给 从机 显示 传送 信息
调定参数
现阶段进度：
我们已经熟悉各个元件要实现的功能、原理和使用方法！ 并且已经实现了利用高低电平的切换来控制电机的正反转； 也可以利用角度传感器将电机在前进或者其他运动或静止 时的直立状态和平衡状态检测出来；同时，我们还实现了 通过蓝牙的无线传输来实现无线的主从机模块的通讯；至 于远程控制端，已经能够实现各种参数实时显示在显示屏 上，并随时进行调整和控制，以便于我们更好地控制和调 整电机每时每刻的平衡。
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自平衡两轮车
——21ic 程序匠人
引子——北京天安门长安街上的自平衡两轮车
认识平衡车
关键字：
Segway
同轴两轮
自平衡（姿态控制）
惯性导航(MEMS)：陀螺仪、加速度计
数据融合：卡尔曼滤波(Kalman Filter)
硬件框架
MCU
SH88F2051
电源
3V 、5V
加速度传感器
MMA7361L
陀螺仪
ENC-03M
电机驱动
L293D
电机测速
H42B6
直射式红外光电传感器
电机电压
JTAG
串口
XY 加速度
角速度
PWM 脉冲
平衡原理
加速度传感器信号
根据加速度计算角度
ADRx
ADRy
-225
-180-135-90-4504590135180225270315360405450495540180
135
90
45
-45
-90
-135
-180
真实角度双轴检测到的角度单轴检测到的角度ADRx ADRy
根据单轴信号求角度acc = -asin(Ax)*180/π根据双轴信号求角度acc = atan2(Ax,Ay)*180/π
单轴求角度范围：+90~-90，超出部分出错
陀螺仪与加速度传感器信号
加速度计
●测量线性运动
●输出加速度
●速度变化越快，输出量越大
●通过三角函数计算可得到加速度计当前与重
力方向的夹角。
陀螺仪
●测量旋转运动
●输出角速度
●旋转越快，输出量越大
●有了角速度数据后即可通过积分获得角度
数据。
快速转动时慢速转动时
陀螺仪
信号
加速度计
信号
两种传感器信号优缺点对比
加速度计
●优点：无累积误差，长时间
稳定。
●缺点：
●1、加速度计对震动非常敏
感。
电机转动以及路面崎岖
等因素所产生的震动会有很
大的噪声。
●2、当加速度计运动时，其
输出量是运动加速度与重力
加速度的混合数据，这会严
重影响角度计算的准确性。
陀螺仪
●优点：数据噪声较小，短
时间内误差小。
●缺点：
●1、陀螺仪以及放大电路有
温漂。
●2、积分会产生累积误差，
这种误差会随着时间推移
而越来越严重，导致数据
失效。
数据融合（取长补短）
●加速度计长时间较准确，短时间误差大。
●陀螺仪短时间准确，长时间不准确。
●通过对两个传感器的有效融合和估计，可以获得合适的
角度信息。
●用加速度传感器长时间稳定的特性，
弥补陀螺仪的零点漂移及A/D采样值
单调性误差积累增长。
卡尔曼滤波：根据上一状态的估计值和当前状态的观测值推出当前状态的估计值。
《线性滤波与预测问题的新方法》
论文作者：kalman.1960《A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems 》
角速度
加速度角度卡尔曼
滤波器
真实角度
姿态控制（PID调节PWM占空）
duty = Kp_ang * angle ;// = 比例系数*角度
duty += Kd_ang * angle_dot ;// + 微分系数*角速度duty += Kp_spd * speed ;// + 比例系数*车速
duty += Ki_spd * position ;// + 积分系数*车位移
整定方法：
●1.先调角度K值——让小车站起来。
●2.调角速度K值——让小车站稳定。
●3.调水平速度K值和位移K值——让小车跑起来。
软件开发（KEIL ）
JTAG调试（S-Lab）
串口辅助调试
帧格式：帧长+ 命令+ 数据+ 校验和
对象
帧命令对象帧命令读软件版本0X05参数初始化0X0A 加速度计X 轴AD 结果0X50PWM 占空0X5A 加速度计Y 轴AD 结果0X51X 轴基准0X60陀螺仪AD 结果0X52X 轴比例0X61加速度传感器计算角度0X53Y 轴基准0X62陀螺仪计算角速度
0X54
Y 轴比例
0X63
滤波之后的角度0X55陀螺仪基准0X64滤波之后的角速度0X56调试电位器1AD 结果0X70滤波之后的角速度偏差0X57调试电位器2AD 结果0X71滤波之后的车速0X58调试电位器3AD 结果0X72滤波之后的车位移
0X59
调试电位器4AD 结果
0X73
通讯协议
PC 与MCU 之间以帧为通讯单位。
PC 发送命令帧查询。
（PC －> MCU ） MCU 发送应答帧。
（MCU －>PC ） 命令帧和应答帧格式相同，内容不同。
《串口猎人》
推荐理由：（需要理由吗？不需要吗？需要吗？……）
✓自动轮发（自动添加帧头、帧尾、帧长、校验和）
✓自动接收（灵活的帧格式）
✓提取数据（8个通道、多字节、BCD/HEX、有/无符号通吃）
✓图形显示（示波器、码表、柱状图）
✓数据保存（有利于后续分析）
✓免费使用（欢迎提出宝贵建议）
下载网址：/user1/349/archives/2011/84521.html
实例效果（原型机）
视频网址：/user1/349/archives/2011/84280.html
DIY活动平台（专题页面）
DIY活动平台（论坛交流）
谢谢！
兴趣是最好的老师。
心动不如行动。
现在加入我们正是时候！
原型机讨论贴网址：/icview-233705-1-1.html。