智能车电磁组比赛技术报告
电磁组-河海大学常州校区-VHDL队技术报告
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第九届全国大学生智能汽车竞赛技术报告
目录
第一章 引言 ................................................................................................................................... 1 1.1 比赛背景介绍 .................................................................................................................. 1 1.2 技术报告结构 .................................................................................................................. 2 第二章 智能车控制系统总体设计 ............................................................................................... 2 2.1 总体设计思路 ................................................................................................................ 2 2.3 系统软件结构 .................................................................................................................. 4 第三章 智能汽车
飞思卡尔智能车 电磁组 技术报告
//#define K10
//#define Kp 1;//PID的//#define Kd 1;
#include <hidef.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <MC9S12XS128.h>
3.1.3
考虑到适当增加力臂来提高舵机的灵敏度和为了赛车布局的的紧凑，采取了如图3.2所示的安装方法。
图3.2舵机安装结构
3.1.4
采用接插件与焊接结合的方式连接传感器、主控板、编码器、电机驱动电路、电机、赛道起始检测等单元，既考虑可靠性，又兼顾结构调整与安装的便利性。具体安装结构如图3.3所示，
图3.3主控板安装结构
[6]卓晴.基于磁场检测的寻线小车传感器布局研究[J].清华大学.2009
[7]杨延玲.载流直导线的电磁场特性分析[J].山东师范大学.2007
[8]王毅敏.马丽英等.一种改进的数字PID控制算法及其在励磁系统中的应用电网技术[J].1998
[9]高金源，夏洁.计算机控制系统[M].清华大学出版社.2007
本校积极组队参加第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛。从2010年底着手准备，历时半年多，经过不断试验设计，最终设计出较为完整的智能赛车。在赛区比赛中获得了较好的综合性能和成绩。
在本次比赛中，采用大赛组委会统一提供的竞赛车模，采用飞思卡尔16位微控制器MC9S12XS128作为核心控制单元，构思控制方案及系统设计，进行包括机械结构的调整与优化，硬件的设计与组装、软件控制算法的编写与改进等过程（小车上的具体方案模块有传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等）从而实现小车智能化的识别道路，最终实现智能化竞速。
第五届飞思卡尔智能车大赛华中科技大学电磁组技术报告
第五届飞思卡尔杯全国大学生智能汽车竞赛技 术 报 告学校：华中科技大学队伍名称：华中科技大学五队参赛队员：方华启张江汉诸金良带队教师：何顶新罗惠关于技术报告和研究论文使用授权的说明本人完全了解第五届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛关保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。
参赛队员签名：带队教师签名：日期：目录第1章引言 (1)1.1 概述 (1)1.2 全文安排 (2)第2章电路设计 (3)2.1 电路系统框图 (3)2.2 电源部分 (4)2.3 电机驱动部分 (5)2.4 电磁传感器 (6)第3章机械设计 (8)3.1 车体结构和主要参数及其调整 (8)3.2 舵机的固定 (10)3.3 传感器的固定 (11)3.4 编码器的固定 (11)第4章软件设计 (12)4.1 程序整体框架 (12)4.2 前台系统 (13)4.3 后台系统 (13)4.4 软件详细设计 (14)第5章调试 (15)第6章全文总结 (16)6.1 智能车主要技术参数 (16)6.2 不足与改进 (16)6.3 致谢与总结 (17)I参考文献 (18)附录A 源代码 (18)II第1章引言第1章引言教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，在已举办全国大学生数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等4大竞赛的基础上，委托教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办每年一度的全国大学生智能汽车竞赛（教高司函[2005]201号文）[1]。
为响应教育部的号召，本校积极组队参加第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛。
从2009 年12 月开始着手进行准备，历时近8 个月，经过设计理念的不断进步，制作精度的不断提高，经历 2 代智能车硬件平台及相关算法的改进，最终设计出一套完整的智能车开发、调试平台。
第六届 电磁一队技术报告
第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学校：安徽科技学院队伍名称：电磁一队参赛队员：叶明明陶丰元何雅琼带队教师：权悦梁磊关于技术报告和研究论文使用授权的说明本人完全了解第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。
参赛队员签名：带队教师签名：日期：目录第一章引言 (4)1.1概述 (4)1.2技术报告结构 (4)第二章设计方案概述说明 (5)2.1设计思路及方案的总体说明 (5)2.2系统各模块实现简介 (6)第三章机械及硬件电路设计 (7)3. 1机械设计 (7)3.1.1 电磁传感器的安装 (8)3.1.2 PCB主板的固定 (8)3.1.3 测速电路模块的安装 (8)3.1.4 舵机的安装 (9)3.2 车模的机械调校 (9)3.2.1底盘高度 (9)3.2.2前轮定位 (9)3.2.3 差速的调节 (9)3.3硬件电路设计 (10)3.3.1 电源管理模块 (10)3.3.2 主控模块 ................................ 错误！未定义书签。
3.3.3 BDM模块................................. 错误！未定义书签。
3.3.4 接口模块 ................................ 错误！未定义书签。
3.3.5 电机驱动模块 ............................ 错误！未定义书签。
3.3.6 电磁传感器电路 (13)第四章软件设计 (15)4.1传感器的测量算法 (16)4.2舵机的PD控制 (17)4.3增量式编码器的控制 (17)4.4速度PID控制算法及其改进形式 (18)第五章开发调试过程及主要参数 (20)5.1开发工具 (20)5.2制作调试过程说明 (20)5.3智能车主要技术参数 (22)5.4存在问题及改进方法 (23)5.5总结 (24)参考文献/参考程序............................... 错误！未定义书签。
智能车电磁组技术报告-图文
智能车电磁组技术报告-图文第八届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛技术报告目录摘要 ...................................................... ........................................................ 错误！未定义书签。
目录 ...................................................... ......................................................... ............................... II 第一章引言 ...................................................... ......................................................... (1)1.1 比赛背景介绍 ...................................................... ......................................................... .. 1 1.2 本文章节安排及文献综述 ...................................................... ....................................... 1 第二章方案选择 ...................................................... ......................................................... (1)2.1系统组成模型及控制算法 ...................................................... . (1)2.1.1 系统结构与模型 ...................................................... ........................................... 1 2.1.2模糊PID控制器设计 ...................................................... .................................... 2 2.2 测量模块方案选择 ...................................................... (3)2.2.1 路径检测模块 ...................................................... ............................................... 3 2.2.2 速度检测模块 ...................................................... ............................................... 3 2.2.3起跑线检测模块 ...................................................... ........................................... 3 2.3 控制模块方案选择 ...................................................... (4)2.3.1 路径控制模块 ...................................................... ............................................... 4 2.3.2 速度控制模块 ...................................................... ............................................... 7 2.4 执行模块方案选择 ...................................................... (7)2.4.1 路径执行模块 ...................................................... ............................................... 7 2.4.2 方向执行模块 ...................................................... ............................................... 7 2.4.3 速度执行模............................................... 7 2.5本章小结 ...................................................... ......................................................... ........... 8 第三章机械结构设计 ...................................................... ......................................................... . (9)3.1 智能车参数要求 ...................................................... . (9)3.2 车模组装与改造 ...................................................... . (9)3.2.1 车模组装 ...................................................... . (9)3.2.2 前轮定位的调整 ...................................................... ........................................... 9 3.2.3 差速的调 (10)3.2.4 舵机力臂的调整 ...................................................... ......................................... 10 3.3 电感线圈的安装 ...................................................... (11)3.4光电编码器的安装 ...................................................... .................................................. 12 3.5 电路板的固定与安装 ...................................................... ............................................. 12 3.6 车模技术参数 ...................................................... .........................................................13 第四章硬件系统设计与实现 ...................................................... .. (14)4.1 电源模块 ...................................................... (14)4.1.1 电源保护 ...................................................... .. (15)4.1.2 降压稳压电路设计一 ...................................................... (15)II4.1.3 降压稳压电路设计二 ...................................................... ................................. 16 4.1.4 电源模块小结 ...................................................... ............................................. 16 4.2 路径识别模块 ...................................................... .........................................................17 4.3 电机模块 ...................................................... ......................................................... ........ 18 4.4 舵机模块 .............................................................. 19 4.5 测速传感器模块 ...................................................... .. (19)第五章软件系统设计与实现 ...................................................... .. (20)5.1 系统初始化 ...................................................... ......................................................... .... 20 5.2路径识别算法分析及选定 ...................................................... ...................................... 20 5.3基于电感线圈排布理论分析 ...................................................... .................................. 21 5.4电感线圈传感器接收防干扰算法....................................................... .. (24)5.4.1结构化赛道导线之间干扰的消减: ..................................................... ................ 24 5.4.2电感线圈传感器之间的干扰的消................. 24 5.4.3车子上工作的PWM信号和电机工作时产生的磁场对电感线圈干扰的消减 .............. 24 5.5 舵机控制算法 ...................................................... .........................................................255.5.1车体与舵机转角方向测定....................................................... .......................... 25 5.5.2舵机转向角度分配 ...................................................... ...................................... 26 5.5.3舵机PID整定 ...................................................... .............................................. 26 5.6电机PID速度控制算法 ...................................................... (26)5.6.1测试开环与闭环控制响应曲线 ...................................................... ................... 27 5.6.2测试开环控制下PWM占空比与电机转速之间的关系 . (28)5.6.3 bang_bang 控......................................... 29 5.6.4 PID控制 ...................................................... (31)5.6.5 PID参数整定 ...................................................... .............................................. 32 5.6.6速度分配 ...................................................... (32)第六章开发与调试 ...................................................... ......................................................... (34)6.1 软件开发环境介绍 ...................................................... ................................................. 34 6.2 智能车整体调试 ...................................................... .. (35)6.2.1 舵机调试 ......................................................6.2.2 电机调试 ...................................................... .. (35)6.2.3 整体调试 ...................................................... .. (36)III第一章引言1.1 比赛背景介绍1.2 本文章节安排及文献综述本文系统的介绍了制作智能模型车的各项技术。
9_山东大学(电磁)-启程队技术报告
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1
山东大学电磁组启程队技术报告
摘要
智能车以汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、计算机、机械等学科。 具有自动行驶，自动变速，自动识别道路的功能。智能小车是智能行走机器人的一种，这种 智能小车可以适应不同环境，可以在人类无法进入或生存的环境中完成人类无法完成的探测 任务。
智能车电磁组-德州学院-极速终结者技术报告
第七届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学校：德州学院队伍名称：极速终结者参赛队员：卢瑞剑高祥朱振阳带队教师：姚俊红关于技术报告和研究论文授权的使用说明本人完全了解第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛关于保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。
参赛队员签名：卢瑞剑带队教师签名：姚俊红日期：2012.8.14摘要本文为第七届飞思卡尔智能车电磁组直立车模的设计说明。
本智能车采用大赛组委会统一提供的C型车模，以Freescale 16位单片机MC9S12XS128 作为系统控制处理器，以CodeWarrior IDE 5.0为开发平台。
整个智能车系统的设计与实现包括车模的机械结构调整、传感器电路的设计及位置安装、控制算法和策略优化、系统调试等多个方面。
通过对比不同方案的优缺点，并结仿真平台进行了大量底层和上层测试，最终确定了现有的系统结构和各项控制参数。
系统硬件上包括核心控制模块，电源模块，传感器模块，电机驱动模块，软件设计方案为在深入分析研究大赛组委会给出的直立参考方案后，在一定程度上大胆创新，形成自己独特的方案，从而提高了车模的行驶速度和稳定性。
在智能车调试过程中，使用上位机利用无线通信技术对智能车的状态进行实时监视，有效提高了调试的效率。
实验结果表明，我们的智能车系统设计方案稳定可行，机械结构与控制算法经过长时间的调试均达到优化的状态，本文将详细叙述本智能车控制系统的各个模块的设计原理，设计目标，设计方法与过程，以及其所发挥的作用。
关键字：MC9S12XS128，上位机，无线通信目录摘要 (III)第一章引言 (1)1.1 研究背景................................... 错误！未定义书签。
智能车电磁组技术报告
3.2
电磁传感器模块设计
电磁传感器部分是电磁组小车最重要的模块之一，能够对变化的磁场信号作 出灵敏的检测，对道路状况的检测起着至关重要的作用。 挑选电感的时候要选择磁芯磁导率大的， 电感圈数比较多的， 等效内阻小的。 综合考虑后选择 10mH 的工字电感。根据并联谐振电路的频率，带入频率可以 得到电容大小。公式为 f=1/2 ߨ √ LC。其中 L=10mH,得到 C=6.33nF。故本系统 选取 10mH 电感和 6.8nF 电容作为 LC 谐振电路， 产生感应电流， 再通过滤波、 放大、 检波， 然后将结果送入单片机 AD 进行相应的处理， 以判断赛道当前 信息。 我们的电路图如下所示：
2.4
舵机的安装方法
根据上一届的经验可知，舵机的安装有两种方法，一种是卧式的安装，一种 是直立式的安装方法，在上一届的比赛中我们采用的是直立式的安装方法。卧式 的方法是车模默认的安装方法， 但是它存在着安装后会导致左右两边的轮子连杆 不等长的问题，这样间接就导致了舵机对左右两边响应时间以及作用力的不同， 给实际的智能车的跑动带了不小的误差。 因此我们采用了直立式的舵机按法，完美的解决了这一问题，只是在机身的 安装高度上还需要我们进行多次的实验，以确定最佳的机身。
-2-
第九届全国大学生智能车竞赛
第一章 引言
1.1 概述
本文主要是个人分析了一下现在电磁车的一些基本知识和内容，通过大量地 阅读资料和分析理解，将整体的电磁车的制作系统的整理出来，为暑假的电磁车 的制作打下一个良好的基础。 本车以 MK60DN512ZVLQ10 为 MCU， 下文将会一并介绍智能小车的控制机 械结构， 软硬件的电路以及一些现在比赛规则中要求的新型的跑道的问题的一些 创新性的解决方法。 飞思卡尔全国大学生智能汽车竞赛是以智能汽车为研究对象的创意性科技 竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动，是教育部倡导的大学 生科技竞赛之一。 该竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为 指导思想，旨在促进高等学校素质教育，培养大学生的综合知识运用能力、基本 工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能,倡导 理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神，为优秀人才的脱颖而出 创造条件。 该竞赛由竞赛秘书处为各参赛队提供 /购置规定范围内的标准硬软件技术平 台，竞赛过程包括理论设计、实际制作、整车调试、现场比赛等环节，要求学生 组成团队，协同工作，初步体会一个工程性的研究开发项目从设计到实现的全过 程。该竞赛融科学性、趣味性和观赏性为一体，是以迅猛发展、前景广阔的汽车 电子为背景，涵盖自动控制、模式识别、传感技术电子、电气、计算机、机械与 汽车等多学科专业的创意性比赛。该竞赛规则透明，评价标准客观，坚持公开、 公平、公正的原则，保证竞赛向健康、普及，持续的方向发展。 电磁组的设置是在第五届开始的，为了扩展赛道检测的多样化和锻炼学生的 各项能力，赛方在原来的 CCD 组与光电组的基础上新增了以 20KHZ、100ma 交变电流（方波）为引导方式的电磁组，迄今为止电磁组已经举办到了五届。
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第七届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛电磁组技术报告学校：河南理工大学队伍名称：志成队参赛队员：杨宗保黄号凯毛学宇指导教师：张新良摘要本文介绍了基于MC9S12XS128控制器的直立小车的设计方案。
目的是仿照两轮自平衡电动车的行进模式，让车模以两个后轮驱动进行直立行走。
I目录第一章绪论 (7)第二章原理分析 (10)2.1直立行走任务分解 (10)2.2车模平衡控制 (10)2.2车模角度和角速度测量 (15)2.3 车模速度控制 (22)2.4 车模方向控制 (27)2.5车模直立行走控制算法总图 (29)第三章电路设计 (31)3.1 整体电路框图 (31)3.2 XS128介绍与单片机最小系统 (32)3.3 倾角传感器电路 (37)3.4 电机驱动电路 (39)3.5 速度传感器电路 (40)3.6 电磁线检测电路 (41)3.7 电源模块 (43)第四章、机械设计 (43)4.1 车模简化改装 (43)4.2 传感器安装 (46)第五章程序设计 (49)5.1 相关模块初始化 (49)II5.2 软件功能与框架 (54)5.3 主要算法及其实现 (56)5.3.1 算法框图与控制函数关系 (56)5.4 参数整定 (62)5.4.1角度参数整定 (62)5.4.2速度参数整定 (63)5.4.3补偿时间常数整定 (63)III图表索引图1- 1 电磁组规定的C车车模 (7)图1- 2 电磁组车模运行状态 (7)图1- 3 车模控制任务 (8)图1- 4 车模制作调试流程图 (9)图 2- 1保持木棒直立的反馈控制 (11)图 2- 2通过车轮运动保持车模平衡 (11)图 2- 3车模简化成倒立的单摆 (12)图 2- 4普通单摆受力分析 (12)图 2- 5在车轮上的参照系中车模受力分析 (13)图 2- 6 电机在不同电压下的速度变化线 (15)图 2- 7 加速度传感器原理 (16)图 2- 8 MMA7260三轴加速度传感器 (16)图 2- 9 车模运动引起加速度信号波动 (17)图 2- 10 车模运动引起加速度 Z轴信号变化 (18)图 2- 11 角速度传感器及参考放大电路 (19)图 2- 12 角速度积分得到角度 (19)图 2- 13 角速度积分漂移现象 (20)图 2- 14 通过重力加速度来矫正陀螺仪的角度漂移 (20)图 2- 15 角度控制框图 (21)图 2- 16电机速度检测 (22)图 2- 17车模倾角给定 (23)图 2- 18 车模倾角控制分析 (24)图 2- 19车模运动速度控制简化模型 (25)IV图 2- 20 车模角度和速度控制框图 (26)图 2- 21改进后的速度和角度控制方案 (27)图 2- 22检测道路中心电磁线方式 (28)图 2- 23车模方向控制算法 (29)图 2- 24 车模运动控制总框图 (30)图 3- 1直立车模控制电路整体框图 (32)表格1 XS128端口说明 (32)图 3- 2 XS128LQFP封装引脚图 (34)图 3- 3最小系统板（112针脚） (35)图 3- 4系统板与下载器BDM的连接图 (36)图 3- 5 V3.0系统板112原理图 (37)图 3- 6 陀螺仪加速度计模块 (38)图 3- 7 陀螺仪加速度计二合一模块实物图 (38)图 3- 8 电机驱动模块实物图 (39)图 3- 9 电机驱动原理图 (40)图 3- 10速度传感器电路 (41)图 3- 11 LM386引脚图 (42)图 3- 12 LM386典型应用电路 (42)图 3- 13 传感器电路图 (43)图 3- 14 电源模块原理图 (43)图 4- 1 完整的 C型车模底盘 (44)图 4- 2 简化后的 C型车模底盘 (44)图 4- 3 使用热熔胶固定电机支架与车模底盘 (45)图 4- 4 去掉后轮之后的车模底盘 (46)V图 4- 5使用复合胶水固定光电编码盘 (47)图 4- 6固定好的光电码盘和光电检测管 (47)图 4- 7电磁传感器支架 (48)图 4- 8 陀螺仪加速度计安装示意图 (49)图 5- 1 主程序框架 (55)图 5- 2中断服务程序 (55)图 5- 3 算法框图中与控制相关的软件函数 (56)图 5- 4 控制函数调用与参数传递关系 (57)VI7第一章 绪论本次全国大学生智能汽车竞赛电磁组要求采用飞思卡尔半导体公司的 8 位、16 位处理器(单核)作为唯一的微控制器，采用C 型车模。
C 型车模如图1- 1所示：图1- 1 电磁组规定的C 车车模车模通过感应由赛道中心导线产生的交变磁场，进行路径检测，不允许使用传感器获取道路的光学信息进行路径检测。
智能汽车竞赛组委会将电磁组比赛规定为车模直立行走，如图1- 2所示。
图1- 2 电磁组车模运行状态电磁直立车模需要实现车模的平衡控制、速度控制、方向控制。
车模制作分为方案确定、车模制作、车模调试三个阶段，如图1- 4所示。
8图1- 4 车模制作调试流程图第二章原理分析2.1直立行走任务分解车模在直立的状态下以两个轮子着地沿着赛道进行比赛，维持车模直立、运行的动力都来自于车模的两个后车轮。
后轮转动由两个直流电机驱动。
从控制角度来看，车模作为一个控制对象，它的控制输入量是两个电机的转动速度。
车模运动控制任务可以分解成以下三个基本控制任务。
（1）控制车模平衡：通过控制两个电机正反转保持车模直立平衡；（2）控制车模速度：通过调节车模的倾角来实现车模速度控制，实际上最后还是通过控制电机的转速来实现车轮速度的控制。
（3）控制车模方向：通过控制两个电机之间的转动差速实现车模转向控制。
车模直立和方向控制任务都是直接通过控制车模两个后轮驱动电机完成的。
假设车模电机可以虚拟地拆解成两个不同功能的驱动电机，它们同轴相连，分别控制车模的直立平衡、左右方向。
在实际控制中，是将控制车模直立和方向的控制信号叠加在一起加载电机上，只要电机处于线性状态就可以同时完成上面两个任务。
车模的速度是通过调节车模倾角来完成的。
车模不同的倾角会引起车模的加减速，从而达到对于速度的控制。
三个分解后的任务各自独立进行控制。
由于最终都是对同一个控制对象（车模的电机）进行控制，所以它们之间存在着耦合。
分析中，在分析其中之一时假设其它控制对象都已经达到稳定。
比如在速度控制时，需要车模已经能够保持直立控制；在方向控制的时候，需要车模能够保持平衡和速度恒定；同样，在车模平衡控制时，也需要速度和方向控制也已经达到平稳。
这三个任务中保持车模平衡是关键。
由于车模同时受到三种控制的影响，从车模平衡控制的角度来看，其它两个控制就成为它的干扰。
因此对车模速度、方向的控制应该尽量保持平滑，以减少对于平衡控制的干扰。
以速度调节为例，需要通过改变车模平衡控制中车模倾角设定值，从而改变车模实际倾斜角度。
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。
下面分别讨论车模任务分解的三个控制的实现方式。
2.2车模平衡控制如果让一个直木棒在手指尖上保持直立。
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，实际上就是控制中的负反馈机制，如图2- 1所示。
图 2- 1保持木棒直立的反馈控制 车模平衡控制也是通过负反馈来实现的，与上面保持木棒直立比较则相对简单。
因为车模有两个轮子着地，车体只会在轮子滚动的方向上发生倾斜。
控制轮子转动，抵消在一个维度上倾斜的趋势便可以保持车体平衡了。
如图 2- 2所示。
图 2- 2通过车轮运动保持车模平衡通过对比单摆模型来说明保持车模平衡的控制规律。
直立着的车模可以看成放臵在可以左右移动平台上的倒立着的单摆。
如图 2- 3所示。
对普通的单摆受力分析如图2- 4所示。
图 2- 4普通单摆受力分析其回复力（物体离开垂直的平衡位臵后受到重力与悬线的作用合力）其大小为 F = - mg sinθ≈ - mgθ，在偏移角度很小的情况下，回复力与偏移的角度之间大小成正比，方向相反。
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臵。
空气的阻尼力与单摆运动速度成正比，方向相反。
阻尼力越大，单摆越会尽快在垂直位臵稳定下来。
单摆能够稳定在垂直位臵的条件有两个：（1）受到与位移（角度）相反的恢复力；（2）受到与运动速度（角速度）相反的阻尼力。
如果没有阻尼力，单摆会在垂直位臵左右摆动。
阻尼力会使得单摆最终停止在垂直位臵。
阻尼力过小（欠阻尼）会使得单摆在平衡位臵附件来回震荡。
阻尼力过大（过阻尼）会使得单摆到达平衡位臵时间加长。
因而存在一个临界阻尼系数，使得单摆稳定在平衡位臵的时间最短。
然而倒立摆在垂直位臵受到外部扰动的情况下，无法保持稳定,分析倒立摆的受力，如图2- 5所示。
图 2- 5在车轮上的参照系中车模受力分析倒立摆之所以不能象单摆一样可以稳定在垂直位臵，就是因为在它偏离平衡位臵的时候，所受到的回复力与位移方向相同，而不是相反！因此，倒立摆便会加速偏离垂直位臵，直到倒下。
要通过控制使得倒立摆能够像单摆一样，稳定在垂直位臵只能通过增加额外的受力，使得恢复力与位移方向相反才行。
控制倒立摆底部车轮，使得它作加速运动。
这样站在小车上（非惯性系，以车轮作为坐标原点）分析倒立摆受力，它就会受到额外的惯性力，该力与车轮的加速度方向相反，大小成正比。
这样倒立摆所受到的回复力为：F = mgsinθ-macosθ≈mgθ–mk1θ（2-1）式中，由于θ很小，所以进行了线性化。
假设负反馈控制是车轮加速度 a 与偏角θ成正比，比例为 k1 。
如果比例 k1 > g ，（ g 是重力加速度）那么回复力的方向便于位移方向相反了。
此外，为了使得倒立摆能够尽快地在垂直位臵稳定下来，还需要增加阻尼力。
增加的阻尼力与偏角的速度成正比，方向相反。
式（2-1）可变为F = mgθ− mk1−mk2θ'（2-2）按照上面的控制方法，可把倒立摆模型变为单摆模型，能够稳定在垂直位臵。
因此，可得控制车轮加速度的控制算法a = k 1θ + k 2θ' （2-3） 式中，θ 为车模倾角；θ' 为角速度；k1、k2 均为比例系数；两项相加后作为车轮加速度 的控制量。
只要保证在 k1 > g 、k2 > 0 条件下，可以使得车模像单摆一样维持在直立状态。
其中有两个控制参数 k1 , k2 ，k1 决定了车模是否能够稳定到垂直平衡位臵，它必须大于重力加速度；k2 决定了车模回到垂直位臵的阻尼系数，选取合适的阻尼系数可以保证车模尽快稳定在垂直位臵。