两轮机器人自平衡研究
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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。
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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。
• 进动性：转子高速旋转时，若外力矩作用于外环 轴，陀螺仪将绕内环轴转动；若外力矩作用于内 环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方 向与外力矩作用方向互相垂直。这种特性，叫做 陀螺仪的进动性。
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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 图为倒立摆模型：
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。
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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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。
2、两轮自平衡车来自百度文库运动
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。
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 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。如右图所- 示：
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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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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 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 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。
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1、陀螺仪的原理
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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。
两轮机器人自平衡控制
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
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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 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。 -
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。
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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。
• 进动性：转子高速旋转时，若外力矩作用于外环 轴，陀螺仪将绕内环轴转动；若外力矩作用于内 环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方 向与外力矩作用方向互相垂直。这种特性，叫做 陀螺仪的进动性。
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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 图为倒立摆模型：
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。
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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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。
2、两轮自平衡车来自百度文库运动
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。
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 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。如右图所- 示：
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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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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 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 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。
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1、陀螺仪的原理
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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。
两轮机器人自平衡控制
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
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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 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。 -