两轮自平衡机器人

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自平衡机器人变论域模糊PID控制研究

ＣＡＯＹｕ—ｌｉ，ＳＨＩＹｉ —ｋａｉ，ＹＵＡＮＸｉａｏ—ｑｉｎｇ，ＬＩＵＪｉａｎｇ
（ＭａｃｈｉｎｅａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ，ａｎ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）
ｎａｍｉｃｓｅｌｆ—ｂｌａａｎｃｅｄｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｔｈｅｃｏｎｔｒａｄｉｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｃｏｎｒｔｏｌｒｕｌｅｑｕａｎｔｉｔｙａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｐｒｅｃｉｓｉｏｎｃａｎｂｅｓａｔｉｓｆａｃｔｏｉｒｌｙｓｏｌｖｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｈａｔｔｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｉｒｓｔｉｃｏｆｈｅｔｄｅｓｉｎｅｇｄｓｙｓｔｅｍｉｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙｓｕｐｅ－
ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗｉｔｈｔｗｏｇｒａｄｅｓｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｔｉｌｔｎｇａｌｅｏｆｔｈｉｓｒｏｂｏｔ．Ｔｈｅｕｎｉｖｅｓｅｒｓｒｔｅｔｃｈｉｎｇｆａｃｔｏｒｗａｓｐｏ— ｒｄｕｃｅｄｂｙｔｈｅｉｆｓｔｒｒａｇｄｅｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ａｎｄｉｔｗａｓｕｔｉｌｉｚｅｄｔｏｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙｃｈａｎｇｅｔｈｅｕｎｉｖｅｓｅｒｏｆｔｈｅｓｅｃｏｎｄｒａｇｄｅ

两轮平衡小车实习报告

两轮平衡小车实习报告一、前言随着科技的不断发展，机器人技术逐渐应用于各个领域，其中两轮平衡小车作为一种具有自平衡能力的新型轮式车，引起了广泛的关注。

本次实习报告主要介绍了两轮平衡小车的原理、设计及实际操作过程。

二、两轮平衡小车原理两轮平衡小车主要由控制系统、传感器、执行器等部分组成。

其工作原理是通过传感器实时检测车体姿态，将车体姿态信息传输给控制系统，控制系统根据车体姿态信息计算出相应的控制策略，并通过执行器实现对车轮的动态调整，使小车保持平衡。

三、两轮平衡小车设计1.硬件设计本次设计的两轮平衡小车采用STM32单片机作为控制核心，配备有MPU6050传感器用于姿态检测，使用TB6612FNG电机驱动模块实现车轮的控制。

此外，还使用了OLED显示屏用于显示实时数据。

2.软件设计在软件设计方面，主要采用了PID控制算法来实现车体的平衡控制。

首先，对MPU6050传感器采集到的数据进行处理，计算出车体的倾角；然后，根据倾角信息计算出控制电压，通过TB6612FNG电机驱动模块对车轮进行控制，以保持车体的平衡。

四、两轮平衡小车实际操作过程1.调试过程在实际操作过程中，首先需要对小车进行调试。

通过调整小车的重心位置，使其能够稳定站立。

调试过程中，发现小车在高速运动时容易失去平衡，通过减小驱动电压，提高小车的稳定性。

2.平衡控制实现在平衡控制实现方面，通过实时检测车体姿态，并根据姿态信息计算出控制电压，实现对车轮的控制。

在实际操作中，发现小车在平衡状态下运行平稳，能够实现前进、后退、转向等基本功能。

3.避障功能实现为了提高小车的实用性，我们为其添加了避障功能。

通过使用HC-SR04超声波传感器，实时检测小车前方的障碍物距离，并在检测到障碍物时，自动调整小车方向，实现避障。

五、总结通过本次实习，我们对两轮平衡小车的原理、设计及实际操作过程有了深入的了解。

两轮平衡小车作为一种具有自平衡能力的新型轮式车，具有占地面积小、转弯灵活等优点，其在未来的应用前景广阔。

基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计

基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计摘要两轮自平衡车是一种高度不稳定的两轮机器人，就像传统的倒立摆一样，本质不稳定是两轮小车的特性，必须施加有效的控制手段才能使其稳定。

本文提出了一种两轮自平衡小车的设计方案，采用重力加速度陀螺仪传感器MPU-6050检测小车姿态，使用互补滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合。

系统选用STC公司的8位单片机STC12C5A60S2为主控制器，根据从传感器中获取的数据，经过PID算法处理后，输出控制信号至电机驱动芯片TB6612FNG，以控制小车的两个电机，来使小车保持平衡状态。

整个系统制作完成后，小车可以在无人干预的条件下实现自主平衡，并且在引入适量干扰的情况下小车能够自主调整并迅速恢复至稳定状态。

通过蓝牙，还可以控制小车前进，后退，左右转。

关键词：两轮自平衡小车加速度计陀螺仪数据融合滤波PID算法Design of Control System of Two-WheelSelf-Balance Vehicle based on MicrocontrollerAbstractTwo-wheel self-balance vehicle is a kind of highly unstable two-wheel robot. The characteristic of two-wheel vehicle is the nature of the instability as traditional inverted pendulum, and effective control must be exerted if we need to make it stable. This paper presents a design scheme of two-wheel self-balance vehicle. We need using gravity accelerometer gyroscope sensor MPU6050 for the inclination angle of vehicle, and using complementary filter for the data fusion of gyroscope and accelerometer. We choose an 8-bit microcontroller named STC12C5A60S2 from STC Company as main controller of the control system. The main controller output control signal, which is based on the data from the sensors, to the motor drive chip named TB6612FNG for controlling two motors of vehicle, and keeping the vehicle in balance. After the completion of the control system, the vehicle can achieve autonomous balance under the conditions of unmanned intervention, the vehicle can adjust automatically and restored to a stable state quickly in the case of giving appropriate interference as well. In addition, we can control the vehicle forward, backward and turn around.Key words: Two-Wheel Self-Balance Vehicle; Accelerometer; Gyroscope; Data fusion; Complementary filter; PID algorithm1 绪论 (1)1.1自平衡小车的研究背景 (1)1.2 自平衡小车研究意义 (1)1.3 论文的主要内容 (2)2 课题任务与关键技术 (2)2.1 主要任务 (2)2.2关键技术 (2)2.2.1 系统设计 (2)2.2.2 数学建模 (2)2.2.3姿态检测 (3)2.2.4 控制算法 (3)3 系统原理分析 (3)3.1 控制系统任务分解 (3)3.2 控制原理 (4)3.3 数学模型 (5)4 系统硬件设计 (6)4.1 STC12C5A60S2单片机介绍 (7)4.2 电源管理模块 (8)4.3 车身姿态感应模块 (9)4.3.1 加速度计 (10)4.3.2 陀螺仪 (12)4.4 电机驱动模块 (14)4.5 速度检测模块 (16)5 系统软件设计 (16)5.1 软件系统总体结构 (17)5.2 单片机的硬件资源配置 (18)5.2.1定时/计数器设置 (18)5.2.2 PWM输出设置 (20)5.2.3 串行通信设置 (23)5.2.4 中断的开放与禁止 (26)5.3 MPU6050资源配置 (27)5.3.1 普通IO口模拟IIC通讯 (28)5.3.2 MPU6050资源配置 (32)5.4 系统控制算法设计 (34)5.4.1 PID算法 (34)5.4.2 互补滤波算法 (35)5.4.3 角度控制与速度控制 (35)5.4.4 输出控制算法 (36)6 总结与展望 (37)6.1 总结 (37)6.2 展望 (37)参考文献 (38)1 绪论1.1自平衡小车的研究背景近几年来，随着电子技术的发展与进步，移动机器人的研究不断深入，成为目前机器人研究领域的一个重要组成部分，并且其应用领域日益广泛，其所需适应的环境和执行的任务也更复杂，这就对移动机器人提出了更高的要求。

两轮机器人在坡面上的运动平衡控制

Ｍｏｔｉｏｎｂａｌａｎｃｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｗｏ－ｗｈｅｅｌｅｄｒｏｂｏｔｏｎｓｌｏｐｅｓ
ＲＵＡＮＸｉａｏ — ｇａｎｇ，ＬＩＹａ— ｌｅｉ，ＺＨＵＸｉａｏ — ｑｉｎｇ
０引言
制。２００６年，韩国的ＫｉｍＹ运用牛顿力学的方法族中的一员，两轮机器人的平衡问题类似于倒立摆的平衡问题，不同的是，倒立摆只能在二维空间中运动，而两轮机器人是可以在三维空间
４４
传感器与微系统（ＴｒａｎｓｄｕｃｅｒａｎｄＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）
２０１４年第３３卷第３期
两轮机器人在坡面上的运动平衡控制
阮晓钢，李亚磊，朱晓庆
种非线性ＰＤ控制器。与传统的线性ＰＤ控制器进行仿真实验对比，实验结果说明：在响应速度、稳定性、鲁棒性方面，非线性ＰＤ控制有着更好的效果。最后，在姿态平衡控制中加入速度控制，构成双环的ＰＤ控
制，实现了两轮机器人在坡面上的静态平衡。关键词：两轮机器人；坡面；动力学建模；非线性ＰＤ控制中图分类号：ＴＰ２４２．６文献标识码：Ａ文章编号：１０００－９７８７（２０１４）０３－００４４－０４
（ＩｎｓｉｔｔｕｔｅｏｆＡｒｔｉｉｆｃｉａｌＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅａｎｄＲｏｂｏｉｔｃｓ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１２４，Ｃｈｉｎａ）

基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计

基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计文件排版存档编号：[UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208]基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计摘要两轮自平衡车是一种高度不稳定的两轮机器人，就像传统的倒立摆一样，本质不稳定是两轮小车的特性，必须施加有效的控制手段才能使其稳定。

整个系统制作完成后，小车可以在无人干预的条件下实现自主平衡，并且在引入适量干扰的情况下小车能够自主调整并迅速恢复至稳定状态。

通过蓝牙，还可以控制小车前进，后退，左右转。

两轮自平衡机器人的LQR实时平衡控制

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｗｏｗｈｅｅｌｅｄｂａｌａｎｃｉｎｇｒｏｂｏｔｓｈａｓｂｅｃｏｍｅＢｎｉｆｅｌｄｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｔｈａｔｍａｙｗｅｌｌｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｆｕｔｕｒｅｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ
ｒｏｂｏｔｗａｓｕｐｒｉｇｈｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｅｓｆｒｏｍｔｒａｄｉｔｉｏｎｌａｏｆｒｍｓｆｏｒｏｂｏｔｉｃｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｂｌａａｎｃｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅＬＱＲｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
文章编号：１００１ — ９９４４（２０１３）０５ — ０００５ — ０５
两轮自平衡机器人的ＬＱＲ实时平衡控制
张金学．掌明
（淮海工学院电子工程学院，连云港２２２００５）
摘要：两轮平衡机器人已经成为能够为日常机器人提供未来运动方式的一个研究领域。两
ｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄｕｔｉｌｉｓｉｎｇｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｍｏｄｅｌｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｏｒｔｈｅｂｌａａｎｃｉｎｇｒｏｂｏｔｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｅｘａｍｉｎｅｓ

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。

两轮机器人的舞步运动规划和仿真研究

（北京工业大学人工智能与机器人研究所，北京１Ｏ２Ｏｌ４）
摘
要：提出了基于有限状态自动机的动作描述方法并给出两轮机器人的舞步运动规戈，推导出了两轮０
机器人的运动学模型，给出两轮机器人分解运动速度控制算法。用ＭＡＴＡ仿真得出机器人Ｌ￣
模拟华尔兹基本舞步的动作规划，验证了该算法的准确性。
Ｉ
甸出
两轮机器人的舞步运动规划和仿真研究
Ｄａｎｃｉｏｔｏｎｐｌｎｇｍｉａｎｎｉｇｗｏ－ｈｅｅｌｏｂｏｔａｎｄｓｍｕｌｉｅｓｎｏｆｔｗｅｄｒｉａｔｏｎｒｅａｒｃｈ
孙亮，呼德夫
ＳＵＮＬａｇ．．ｕｉｎＨＵＤｅｆ
器人左转４。。其他的符号以此类推。５机器人状态集合，即机器人车身朝向状态集
合为Ｑ｛，ＬＲＦ，Ｒ，ＬＢ＝ＦＢ，，，ＬＦＢ，Ｒ）其中，Ｆ示向前方向（ｏｗｏｄ表Ｆｒｒ），Ｂ表示向
后方向（ｃｗｒ），ＬＢａｋａｄ表示向左方向（ｅｔ，Ｌｆ）Ｒ表示向右方向（ｉｈ），Ｆ表示左前方向，ＦＲｇｔＬＲ表示右前方向，Ｂ表示左后方向，Ｂ表示右后方ＬＲ
所示。
两轮机器人的符号集合为：
』｛４，，３，５ … ，ｃ６，４，，３０ｃ５ … ，．，，５… ６ ‘４，Ｆ３０ｌ５ … ６ｒ，０ａ Ⅱ ４
３，４ …，３，“ ，Ｓ６Ｓ５Ｓ６ｂ６５ｌ６Ｓ４ …，ｄ０ｃ，ｃ０｝０，ｃｏ５３，４ …，３￣

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创新设计实训
设计题目：两轮双光感自平衡机器人完成日期：年 5 月
学院：机械工程学院
专业：机械工程及自动化指导老师：
小组成员：
天津理工大学机械工程学院
课程成绩评价表
学号姓名年级专业工作分工成绩
程序编写
论文撰写
程序编写
论文撰写
模型搭建
造型设计
模型搭建
造型设计
性能（70%）美观与创意（30%）整体
评价
评语：
一、问题的提出和分析
1.1 实验目标
两轮双光感自平衡机器人主要实验的目标：
能够依靠两个轮前后摆动来达到控制车体平衡的效果。

1.2 功能分析
两轮双光感自平衡机器人必须具备一些主要的功能：
小车必须在没有外部支撑点的情况下，通过两个光传感器所接收到的信息来控制小车保持平衡并且能够稳定的向前走。

二、模型的搭建
我们在初步分析了上述需要实现的功能后，开始了我们方案的选择和模型的搭建。

首先，我们为了让马达的变速效果最直接的传递到轮上，所以采用直接将车轮安装在马达上的做法，然后为了实现车身中心不至于过高且过低，所以直接将两个马达横置，然后将控制器放置于其上，最后用各种大小不同的零件将这两个部件固定并合成一个两轮小车
搭建结果如图所示。

三、程序的实现
该小车的程序是通过乐高的一个名为Bricx Command Center的软件编辑的，因为该软件给马达提供了七级变速，所以便于调试马达的速度来打到控制的效果。

外加该软件还有一个好处就是采用了高级语言，让编程者能够直观的看出所要执行的任务。

3.1 程序流程图
该程序是通过对小车两个轮的控制，以让小车通过自动调节重心的方法来保持平衡，通过前后两个光传感器接受外界光的读数的变化，判断现在小车车身的倾斜程度，然后以适当的功率带动车辆向倾斜方向运动适当距离使重心回复到正确位置。

3.2 程序全图。

task main()
{
int Kp;
int Ki;
int Kd;
Kp=26 ; Ki=0 ;Kd=20;
int integral;
int lasterror;
int derivative;
int Tum;
integral =0; lasterror=0; derivative=0;
SetSensor(SENSOR_1, SENSOR_LIGHT);
SetSensor(SENSOR_2, SENSOR_LIGHT);
int offset;
int error;
int s;
//offset=SENSOR_1 - SENSOR_2;
//#define forwards(1,1);
//OnFwd(OUT_AC,1);
while (true)
{
error =SENSOR_1 - SENSOR_2 -2;
derivative =(2/3)*(error - lasterror);
integral =integral+error*(2/3);
lasterror = error;
Tum=Kp*error+Ki*integral+Kd*derivative;
Tum=Tum/100;
s=Tum;
//#define forwards(s,1); // OnRev("ports", "pwr");
if (s>7)
{
s=7;
}
if (s<-7)
{
s=-7;
}
if (s<0)
{ OnRev(OUT_A, -s);
OnRev(OUT_C, -s);
}
if (s=0)
{
Off(OUT_A);
}
if (s>0)
{
OnFwd(OUT_A, s);
OnFwd(OUT_B, s);
}
//OnFwd(OUT_A+OUT_C,s+1) ;
}
}
此程序中用到了一个用途很广的控制方法，叫做PID，它是通过主要控制输出与变化范围之间的比例关系，然后辅以微分和积分的调节以达到控制其平衡的效果，其中最重要的就是通过若干次的调试使其中的三个参数（KP,KI,KD)使其
系统达到最稳定状态。

四、运行结果
这次实验因为各种原因我并没有找出正确的参数来使系统打到平衡，但是我通过一次次的调试发现了，当我改动KP时，在25左右时系统比较稳定，当低于20时系统会无法产生调节重心的趋势，而当大于30时会出现小车晃动的越来越厉害。

而通过调节KD，可以增加系统的反应速度，但是因为我未能找出准确的KP值，所以KD值未能正确找出，只能确定出当KD越大时，对于比例环节的调节作用就越强。

五、设计小结
在此次实验中，我懂得了两轮自平衡小车的工作原理，也懂得了如何才能让它动起来，当然，最重要的还是我学会了使用一款新的软件，因为它才是一切机器人的心脏，我以后不仅可以将它运用在这一个机器人上面，还可以延伸到其他类型的控制系统当中。

而且，通过做自平衡机器人，我认识了一个新的控制方法PID，我相信它不仅可以运动到这上面，以后肯定在其他系统当中还会见到，而且，以后我用同样的方法通过改变传感器类型等还可以创造出更多类型的机器人。