基于PID控制器的两轮自平衡小车设计
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。
基于PID控制器的两轮自平衡小车设计
本科毕业设计基于PID控制器的两轮自平衡小车设计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。
本文在总结和归纳国内外对两轮自平衡小车的研究现状，提出了自己的两轮自平衡小车软硬件设计方案，小车硬件采用陀螺仪和加速度传感器检测车身的重力方向的倾斜角度和车身轮轴方向上的旋转加速度，数据通过控制器处理后，控制电机调整小车状态，使小车保持平衡。
由于陀螺仪存在温漂和积分误差，加速度传感器动态响应较慢，不能有效可靠的反应车身的状态，所以软件使用互补滤波算法将陀螺仪和加速度传感器数据融合，结合陀螺仪的快速的动态响应特性和加速度传感器的长时间稳定特性，得到一个优化的角度近似值。
文中最后通过实验验证了自平衡小车软硬件控制方案的可行性。
关键词：自平衡互补滤波数据融合倒立摆Two-wheeledSelf-balancingRobotMaXuedong(CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China) Abstract:Thetwo-wheeledself-balancingrobotissmallinmechanism,withsimplestructureandcanmakeflexiblemotion,目录华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表1前言研究意义应用意义。
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)。
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。
基于PID控制算法的自主平衡小车设计分析
基于PID控制算法的自主平衡小车设计分析发布时间：2021-11-29T06:30:12.968Z 来源：《科学与技术》2021年8月24期作者：李增辉吴宇鑫任磊[导读] 近年来，我国经济科技不断发展，两轮自主平衡小车作为一种新型的交通工具，逐渐得到普及和应用。
李增辉吴宇鑫任磊江苏大学 212013摘要：近年来，我国经济科技不断发展，两轮自主平衡小车作为一种新型的交通工具，逐渐得到普及和应用。
两轮自主平衡小车具有小巧的外形，并且依靠电力驱动，不仅能够缓解交通拥挤的问题，也能减轻大气污染，具有较强的实用价值。
本文主要基于PID控制算法，对自主平衡小车的设计进行分析。
关键词：PID控制算法；自主平衡小车；设计前言：自主平衡小车具有多项优势，不仅操作比较简单、运动非常灵活，还能节省能源，缓解能源危机，因此，这种小车逐渐成为人们出行的新的选择。
两轮平衡小车特别适合在狭小的空间内使用，如住宅小区、购物中心以及生态旅游风景区等。
文章主要探究设计采用PID控制算法实现对自主平衡小车的控制。
一、自主平衡小车设计研究的重要意义在60年代中期，机器人技术逐渐开始兴起，涉及到机械、人工智能以及电子等多个领域，该技术的应用，对人们的生产和生活方式都产生了较大的影响。
在这个过程中，随着时间的发展，我国计算机技术的不断发展进步，以及其他相关技术的不断发展，为该技术的发展带来了更好的机会，并且该技术的发展程度，从一定程度上也体现出了一个国家的综合科技发展水平。
这种小车可以作为一种轮式移动机器人，其涉及到自动控制技术、机械学、传感器等多个方面，对外界环境的变化比较敏感，并做出相应的基础动作，其模型可以有效的检验各种控制算法。
同时，自主平衡小车为人们的交通出行带来了更多的便利。
虽然当前我们主要的交通工具是汽车，其数量也在不断增加，在很大程度上促进了人类社会的发展进步，但同时也带来了负面影响，对环境造成了严重的污染，并且对能源的消耗也十分严重。
基于PI控制器的两轮平衡小车设计
近有研究表明，ＩｇＧ的功能正在打破原有的功能理论。
【关键词 】免疫球蛋 白；ＩｇＧ；ＩｇＧ功能特性
【中图分类号】￥８５２。４
【文献标识码】Ａ
【文章编号】１００９—５６２４（２０１８）０７—０２１６—０２
１免疫球蛋 白
疫效应功能 ，后者构成 Ｂ细胞表面的抗原抗体 （ＢＣＲ）。
经过 以上质量控制检测 ，电源 电压、保护接地 阻抗 、 完好率和使用率 、延长设备的使用寿命，而且还能极大地
外壳漏 电流 、对地漏 电流 、无创血压测量精确度、血氧饱 节约临床科室的设备维修成本，充分保障设备的安全应用，
和度测量精确度 以及 心率测量精确度检测结果均合格 ，真 保证参数 的稳定性为临床提供可靠数据。在 日常工作中不
４．３要定期对 电源板 、控制板、心电模块、血压模块 、 ２０１０， ３１（１１）：１ ３．
血氧模块进行除尘 ，以免灰尘过多导致元器件损坏 。
［４】陈基 明，林 晶，许耀 良 ．多参数 监护仪质量控制技术规 范探
４．４ 要正确操作设备的传感器，不要拉、折传感器的 讨 ［Ｊ］．医疗卫生装备 ，２０１１，３２（２）：１０７－１０８．
正保证 了设备正常运行和临床 的安全使用 。
仅是维修后 的设备一定要做质控检测，我们还要定期进 行
４维 护保 养的注意事项
质控巡检 ，规范 日常维护保养行为，还要提升医护人 员质
根据 厂商提供 的 日常维护保养手册和 实际工作 中积累 量控制意识 ，这对医疗设备安全并且合理地应用至关重要 。
但本身是一种 自然不稳定体，其数学模型具有多变量、非线性、强耦合、时变等特性，需要施加强有力的控制手段才能
使其保持平衡。本文阐述 自己的两轮 自平衡小车软硬件设计方案，小车硬件采用ｒ￣ ．４ｚ和加速度传感器实时检测车身的
基于PID控制的两轮自平衡小车的研究
2021.14科学技术创新基于PID 控制的两轮自平衡小车的研究李志豪司永康屈志扬李建军李高展曲艺晗（河南科技大学机电工程学院，河南洛阳471003）1概述近年来，两轮式自平衡小车的研究在美国、日本、等国都得到了迅速发展。
平衡车能够通过自身的整体协调性操作平衡，而且体积小，容易上手，成为越来越多人的一种代步工具。
平衡车的动力来源是锂电池，没有碳排放，是一种绿色出行方式，能很好的保护环境。
目前，平衡车已经进入越来越多人的视野之中，我们研究的目的是使小车能在正常的环境下正常前进和后退，保证正常的直立运行。
2系统总体结构设计该平衡小车系统采用Arduino 单片机为核心，GY-85九轴IMU 传感器模块负责采集平衡小车的姿态，并将姿态信息传输回Arduino 控制器，控制器得到平衡小车的实时角速度和角度以及小车车轮当前的速度，综合计算出需要输出的控制信号进而准确控制平衡小车两个车轮的直流电动机[1]，使平衡小车保持平衡，同时将平衡小车系统所采集到的角度、角速度、车轮速度等通过蓝牙控制模块传送至手机app 上实时显示，以及在小车硬件显示屏上也能显示。
系统总体结构如图1所示。
图1平衡小车系统3系统电路设计该平衡小车系统分别由电源降压模块AMS1117、Arduinouno 、GY-85姿态传感器、电机驱动模块、电机及BT08b 蓝牙控制模块四部分组成,小车的系统集成电路结构如图2。
12v 的电源经过降压模块下降至5v ，为Arduino 控制板提供电源,GY-85读取小车姿态数据再传到Arduino 控制器;电机编码器获得一台电机的转速再通过传感器反馈到Arduino 控制板,Arduino 控制板根据传感器所采集的信息,通过PID 控制算法将PWM 信号输出传至电机驱动模块[2]与此同时，控制器将传感器采集到的小车姿态运动信息通过BT08B 蓝牙模块传送到手机app 上，并且能在显示屏上显示出来。
3.1ArduinoUNO 控制板ArduinoUNO 是基于ATmega328P 的一款微控制器板[3]。
基于PID控制的两轮自平衡小车设计(附有程序)
基于PID控制两轮自平衡小车设计目录1.方案设计论证 (3)1.1单片机的选择与论证 (3)1.2显示模块的选择与论证 (3)1.3按键模块的选择与论证 (4)1.5电机模块的选择与论证 (5)2.硬件设计 (5)2.1微控制模块设计与分析.................................................................. 错误！未定义书签。
2.2传感器模块设计与分析.................................................................. 错误！未定义书签。
2.3显示器模块设计与分析.................................................................. 错误！未定义书签。
2.4按键模块设计与分析...................................................................... 错误！未定义书签。
2.5电源模块设计与分析...................................................................... 错误！未定义书签。
3.特色创新 (5)4.总结 (7)参考文献 (8)两轮自平衡小车设计摘要：以Kinetis_K60微处理器单片机作为控制核心，通过PID算法，利用陀螺仪，摄像头、加速度计、编码器和液晶显示器等元件，设计了此两轮自平衡控制小车，实现了小车的自动平衡。
该系统的创新主要体现在可以自动循迹，实时的显示周围环境的温度及小车行驶速度，以便用户可以了解当时的温度和小车的速度。
该系统的主要特点是方便，快捷，环保。
关键词：Kinetis_K60微处理器，PID,陀螺仪，加速度计，液晶显示器Abstract：We use Kinetis_K60 micro processor control with micro controller as thecore,through the PID algorithm, using gyroscopes, cameras, accelerometers, encoders and LCD monitors and other components,designed the two-wheeled self-balancing control car to achieve as elf-balancing car.Innovation is mainly reflected in the system can automatically tracking, real-time display of temperature and speed of the car with the surrounding environment,so that users can under stand the prevailing temperature and the speed of the car.The main features of the system is easy, fast and environmentally friendly.Keyword：Kinetis_K60 micro processor PID algorithm accelerometers就目前市场上的小车来说，结构过于普通，而且大部分是通过四轮同时着地行走的，同时不够智能和人性化，所以我们设计了两轮自平衡控制小车。
基于模糊PD的两轮自平衡车的设计
01 引言
03 研究方法
目录
02 文献综述 04 参考内容
引言
引言
两轮自平衡车是一种具有自主平衡能力的车辆，因其灵活便捷、节能环保等 优点而受到广泛。在当今社会，两轮自平衡车已成为短途交通工具的理想选择之 一。然而，其控制系统的设计一直是制约其发展的关键问题。因此，本次演示旨 在探讨基于模糊PD控制技术的两轮自平衡车的设计，以提高其稳定性和适应性。
内容摘要
总的来说，两轮自平衡车的直立控制是当前研究的热点问题。PD算法在直立 控制中表现出良好的性能，为相关领域的研究提供了有益的参考。然而，面对未 来发展的需求和可能的挑战，还需要在以下几个方面进行深入研究：
内容摘要
1）如何进一步提高PD算法在直立控制中的稳定性和鲁棒性？ 2）如何结合机 器学习算法，提升两轮自平衡车的智能化水平？ 3）如何解决两轮自平衡车在实 际应用中的复杂干扰和不确定性问题？
控制系统
控制系统
控制系统是两轮自平衡车的核心部分，它决定了车辆的稳定性和自主性。控 制系统主要由微控制器、传感器、执行器和电源等组成。微控制器是控制系统的 核心，它通过接收传感器信号并处理执行器的动作来实现车辆的自主控制。传感 器主要包括加速度计、陀螺仪和磁力计等，它们负责监测车辆的状态和位置信息。
2、在受到一定扰动时，两轮自平衡车仍能保持较好的稳定性。但是， 当扰动较大时，系统的鲁棒性会受到一定影响。
2、当扰动较大时，系统的鲁棒性有待进一步改善。
参考内容
内容摘要
两轮自平衡车是一种具有自主平衡能力的车辆，其直立控制是研究的关键问 题。本次演示将基于PD算法，探讨两轮自平衡车的直立控制，旨在为相关领域的 研究提供参考。
毕业设计(论文)-两轮自平衡小车的设计
Key Words: Two-Wheel Self-Balance; Gyroscope; Gesture detection; Kalman filter; Data fusion
II
目
录
1.绪论·························································································································· 1
2.系统原理分析·········································································································· 5
2.1 控制系统要求分析··············································································································· 5 2.2 平衡控制原理分析··············································································································· 5 2.3 自平衡小车数学模型··········································································································· 6 2.3.1 两轮自平衡小车受力分析···························································································· 6 2.3.2 自平衡小车运动微分方程···························································································· 9 2.4 PID 控制器设计··················································································································10 2.4.1 PID 控制器原理···········································································································10 2.4.2 PID 控制器设计···········································································································11 2.5 姿态检测系统····················································································································· 12 2.5.1 陀螺仪·························································································································· 12 2.5.2 加速度计······················································································································ 13 2.5.3 基于卡尔曼滤波的数据融合······················································································ 14 2.6 本章小结····························································································································· 16
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本科毕业设计基于PID控制器的两轮自平衡小车设计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。
本文在总结和归纳国内外对两轮自平衡小车的研究现状，提出了自己的两轮自平衡小车软硬件设计方案，小车硬件采用陀螺仪和加速度传感器检测车身的重力方向的倾斜角度和车身轮轴方向上的旋转加速度，数据通过控制器处理后，控制电机调整小车状态，使小车保持平衡。
由于陀螺仪存在温漂和积分误差，加速度传感器动态响应较慢，不能有效可靠的反应车身的状态，所以软件使用互补滤波算法将陀螺仪和加速度传感器数据融合，结合陀螺仪的快速的动态响应特性和加速度传感器的长时间稳定特性，得到一个优化的角度近似值。
文中最后通过实验验证了自平衡小车软硬件控制方案的可行性。
关键词：自平衡互补滤波数据融合倒立摆Two-wheeled Self-balancing RobotMa Xuedong(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China) Abstract:The two-wheeled self-balancing robot is small in mechanism, with simple structure and can make flexible motion, suitable for narrow and dangerous work space. So it has wide range of applications in security and military. The two-wheeled self-balancing robot is a natural unstable system. The device of this system is a parallel arrangement of two single wheels, like a traditional inverted pendulum. Its dynamics are multi-variable, non-linear, serious coupling and uncertain parameters etc. It must be exerted strong control to make it stable.In this paper, studies on two-wheel self-balancing vehicle at home and abroad are summarized. We designed the hardware and software of our two-wheel self-balancing vehicle. The car using rotational accelerometers, gyroscopes and acceleration sensors to detect body condition and the state in which the pitch change rate. The central processing unit calculate the appropriate data and instructions, and control the motor to achieve the body balancing. Because of gyro drift problems and Integral error with accelerometers and slow dynamic response of acceleration sensors. It can’t provide effectiv e or reliable information to reflect the real state of its body. So we using complementary filter to fuse the data of two sensors, so that the inclination of its body can be approximated better.Finally, we verified the feasibility of the system’s hardware and software through experiment.Key Words: Self-Balancing complementary filter Data Fusion Inverted Pendui目录1 前言 (1)1.1 研究意义 (1)1.2 国内外研究现状 (1)1.2.1 国外研究成果 (1)1.2.2 国内研究成果 (1)1.3 本文的研究内容 (2)2 两轮平衡车的平衡原理 (2)2.1 平衡车的机械结构 (2)2.2 两轮车倾倒原因的受力分析 (3)2.3 平衡的方法 (3)3 系统方案分析与选择论证 (4)3.1 系统方案设计 (4)3.1.1 主控芯片方案 (4)3.1.2 姿态检测传感器方案 (4)3.1.3 电机选择方案 (5)3.2 系统最终方案 (5)4 主要芯片介绍和系统模块硬件设计 (6)4.1 加速度传感器ADXL345 (6)4.2 陀螺仪传感器L3G4200D (8)4.3 主控电路 (10)4.4 电机驱动电路 (11)4.5 供电电路 (11)5 系统软件设计 (12)5.1 系统初始化 (13)5.2 滤波器 (14)5.2.1 低通滤波器 (15)5.2.2 互补滤波器 (15)5.3 PID控制器 (17)5.3.1 PID概述 (17)5.3.2 数字PID算法 (17)5.3.3 PID控制器设计 (18)6 硬件电路 (19)6.1 硬件制作与调试 (19)6.2 硬件调试结果 (19)6.2.1 姿态感知系统测试结果 (19)6.2.2 PID控制器测试结果 (20)7 结论 (21)参考文献 (23)附录 (24)致谢 (26)华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表1 前言1.1 研究意义应用意义。
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)。
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。
理论研究意义。
自平衡车，在重力作用下车体姿态本征不稳定，需要电机的控制来维持姿态的平衡，通过电机驱动转动车轮，传感器、软件、微处理器及车体机械装置整体协调控制电动车平衡，是集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合复杂非线性系统，其控制难度大，控制算法复杂，给控制理论提出了很大的挑战，具有较强的理论研究价值。
1.2 国内外研究现状美国、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。
1.2.1 国外研究成果美国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。
1.2.2 国内研究成果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。
1.3 本文的研究内容本文研究内容有两轮自平衡小车的姿态检测算法，PID控制算法两方面。
姿态检测算法通过互补滤波器融合姿态传感器(加速度传感器和陀螺仪传感器)数据，得到小车准确稳定的姿态信息，PID调节器则利用这些姿态信息，输出电机控制信号，控制电机的转动，使小车得以平衡。
2 两轮平衡车的平衡原理2.1 平衡车的机械结构图1 平衡车机械结构现有的自平衡车结构种类繁多，但都归根于图1的基本结构，因此，本设计将使用图1的结构，车体由三层组成，从上到下依次是电池层，主控层，电机驱动层，电池层用于放置给整个系统供电的6V锂电池，主控层由主控芯片最小系统和传感器模块组成，电机驱动层接受单片机信号，并控制电机。
每个层都是功能模块的电路路板之间用铜柱固定，电机外壳与电机驱动电路板固定，电机转轴与两只轮胎相连。
2.2 两轮车倾倒原因的受力分析两轮车是一个高度不稳定系统，在重力作用下车体姿态本征不稳定，致使在没有外加调控下必然倾倒的现象(张三川，2011)。
其受力如图2所示。
l图2 平衡车受力分析图理想状态下，当M(车体重力)的方向与H(车轮支持力)的方向相差180°时，系统此时受力平衡，可以达到稳定不倒的状态，θ角度为0°。
但自然界存在各式各样的干扰，θ角度总不为0，只要产生θ角，即使角度很小，M的方向与H的方向亦产生了角度，合力不为0，根据牛顿运动定律可知，θ角度将越来越大，直至车体倾倒在地上。