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。
自平衡小车设计报告
自平衡小车设计汇报摘要.......................................................................... 错误!未定义书签。
一、系统完毕旳功能............................................... 错误!未定义书签。
二、系统总体设计原理框架图 ............................... 错误!未定义书签。
三.系统硬件各个构成部分简介 ............................. 错误!未定义书签。
四、软件设计 .......................................................... 错误!未定义书签。
五、制作困难 .......................................................... 错误!未定义书签。
六.总结..................................................................... 错误!未定义书签。
摘要:本作品采用STM32单片机作为主控制器，用一种陀螺仪传感器来检测车旳状态，通过TB6612控制小车两个电机，来使小车保持平衡状态，通过蓝牙与小车上蓝牙模块连接以控制小车运行状态。
关键字：智能小车；单片机；陀螺仪；蓝牙模块。
一、系统完毕旳功能根据老师旳指导规定，在规定旳时间内，由团体合作完毕两轮自平衡小车旳制作，使小车在一定期间内可以自助站立并且自由行走，以和原地转圈，上坡和送高处跃下站立。
二、系统总体设计原理框架图图2.1 系统总体框图三.系统硬件各个构成部分简介3.1.STM32单片机简介（stm32rbt6）主控模块旳STM32单片机是控制器旳关键部分。
该单片机是ST意法半导体企业生产旳32位高性能、低成本和低功耗旳增强型单片机，它旳内核采用ARM企业最新生产旳Cortex—M3架构，最高工作频率可达72MHz，256K旳程序存储空间、48K旳RAM，8个定期器／计数器、两个看门狗和一种实时时钟RTC，片上集成通信接口有两个I2C、3个SPI、5个USART、一种USB、一种CAN、两个和一种SDIO，并集成有3个ADC和一种DAC，具有80个I／0端口。
两轮自平衡小车毕业设计
两轮自平衡小车毕业设计毕业设计题目：两轮自平衡小车设计一、毕业设计背景与意义目前，智能机器人技术已经在各个领域得到广泛的应用，其中自平衡小车是一种非常具有代表性的机器人。
自平衡小车能够通过自身的控制系统来保持平衡姿态，并能够实现各种转向和动作。
因此，自平衡小车不仅能够广泛应用于工业生产中，还可以成为搬运、巡逻和助力等领域的优秀协助工具。
本毕业设计的目标是设计和实现一种能够自动控制、实现平衡的两轮自平衡小车。
通过这个设计，进一步探究并研究自平衡技术的原理及应用，增加对机器人控制系统和传感器的理解，提高对计算机控制和嵌入式系统的应用能力。
二、毕业设计的主要内容和任务1.研究和调研a)研究两轮自平衡小车的构造和原理；b)调研目前市场上相关产品，并分析其特点和存在的问题。
2.模块设计a)根据研究结果，设计自平衡小车的主要模块，包括平衡控制模块、动作控制模块和传感器模块；b)设计相关控制算法和策略，使小车能够保持平衡并能够实现转向和动作。
3.硬件搭建和调试a)根据模块设计的结果，搭建小车的硬件系统，包括选择适用的电机、陀螺仪、加速度计等；b)进行相应的调试和优化，保证小车的平衡和动作控制能力。
4.软件开发和系统集成a)开发小车的控制系统软件，包括实时控制系统和传感器数据处理等；b)将硬件系统和软件系统进行有机地集成，实现小车的平衡和动作控制。
5.实验和测试a)进行实验测试，验证设计的有效性和稳定性；b)进行相关的性能测试和比较研究。
三、设计预期成果1.自平衡小车的系统设计和实现，能够平衡姿态并能够实现转向和动作控制；2.控制系统软件的开发和优化，实现小车的实时控制和数据处理；3.相关模块和算法的设计和实现，如平衡控制模块和动作控制模块；4.实验和测试结果的总结和分析；5.毕业设计报告的撰写。
四、设计周期和工作安排1.阶段1：研究和调研阶段（1周）2.阶段2：模块设计阶段（2周）3.阶段3：硬件搭建和调试阶段（2周）4.阶段4：软件开发和系统集成阶段（2周）5.阶段5：实验和测试阶段（1周）6.阶段6：总结和报告撰写阶段（2周）五、预期解决的关键问题和技术难点1.小车平衡控制算法的设计和优化；2.小车动作控制算法的设计和优化；3.小车硬件系统与软件系统的有效集成；4.多个传感器数据的处理和融合。
基于单片机的两轮自动平衡小车设计
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应用技一
是将 控制 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 。速 度是 通过 调节 车模倾 角 来完 成 的 ，不 同的倾角 会 引起小 车 的加减 速 。从 而达 到对 于速度 的控制。两轮 自平衡小车的系统方程式如下 ：
图 ３ 陀 螺 仪 电 路接 口图
３．２ 加速度传感器 电路设计 ＭＭＡ７３６ １是三 轴小 量程 的加速 传感 器 ，用 于检
测 物件 运 动 和方 向 ．它 根 据 物件 运 动 和方 向改变 输 出信号 的电压值 。三轴 的信号在不运动或不被重力 作用的状态下 ，其输 出电压为 １．６５ Ｖ。如果 沿着某 一 个方 向活 动 ，或 者受 到 重力 作 用 ，输 出 电压就 会 根 据其 运 动方 向 以及 设 定 的传 感 器 灵敏 度 而 输 出相 应的电压值 。采用单片机的片内 Ａ／Ｄ转换器就可 以 检 测其 运 动 方 向 。但 是 小 车 运动 所 产 生 的加 速度 会 产生很大的干扰信号叠加在上述测量信号上 ，使得 输 出信号无法准确反映车模的倾角 ，因此 ，采用加 角速度传感 器和陀螺可使小车的直立控制取得 良好 的效果 （见 第 ９２页 图 ４）。 ３．３ 电机驱 动 电路 的设计
两轮自平衡小车设计报告
两轮自平衡小车设计报告设计报告：两轮自平衡小车一、引言二、设计理念本设计希望实现一个简洁、稳定和高效的两轮自平衡小车。
考虑到小车需要快速响应外界环境变化，并迅速做出平衡调整，因此采用了传感器、控制器和执行机构相结合的设计思路。
通过传感器获取小车倾斜角度和加速度等数据，通过控制器对采集的数据进行处理和判断，并通过执行机构实时调整车身的倾斜角度，以实现平衡行走。
三、原理四、硬件结构1.车身结构：车身由两个电机、一个控制器、一个电池和一个平衡摆杆组成。
2.电机：采用直流无刷电机，具有较高的转速和输出功率。
3.控制器：采用单片机控制模块，能够对传感器数据进行处理和判断，并输出控制信号给电机。
4.传感器：主要包括陀螺仪、加速度计和倾斜传感器，用于感知小车的倾斜角度和加速度等数据。
5.电池：提供小车的电力供应，保证小车正常运行。
五、软件控制小车的软件控制主要包括数据处理和判断、控制信号生成和输出三个方面。
1.数据处理和判断：通过获取的传感器数据，包括倾斜角度和加速度等信息，根据预设的控制算法进行数据处理和判断。
2.控制信号生成：根据处理和判断得出的结果，生成相应的控制信号。
控制信号包括电机的转动方向和速度。
3.控制信号输出：将生成的控制信号输出给电机，实现倒立摆的平衡。
六、小车性能测试为了验证小车的设计和功能是否符合预期，进行了多项性能测试。
1.平衡行走测试：将小车放在平坦的地面上，通过传感器检测到小车的当前倾斜角度并进行调整，实现小车的自平衡行走。
2.转向测试：在平衡行走的基础上，通过控制信号调整两个电机的速度差，从而实现小车的转向。
3.避障测试：在平衡行走和转向的基础上，添加超声波传感器等避障装置，实现小车的避障功能。
七、总结通过本设计报告的详细介绍，我们可以看出两轮自平衡小车具备平衡行走、转向和避障等功能，为用户提供了一个稳定、高效的移动平台。
未来，我们将进一步优化小车的设计和控制算法，提高小车的性能和应用范围。
两轮自平衡小车控制系统的设计
两轮自平衡小车控制系统的设计摘要：介绍了两轮自平衡小车控制系统的设计与实现，系统以飞思卡尔公司的16位微控制器MC9S12XS128MAL作为核心控制单元，利用加速度传感器MMA7361测量重力加速度的分量，即小车的实时倾角，以及利用陀螺仪ENC-03MB测量小车的实时角速度，并利用光电编码器采集小车的前进速度，实现了小车的平衡和速度控制。
在小车可以保持两轮自平衡前提下，采用摄像头CCD-TSL1401作为路径识别传感器，实时采集赛道信息，并通过左右轮差速控制转弯，使小车始终沿着赛道中线运行。
实验表明，该控制系统能较好地控制小车平衡快速地跟随跑道运行，具有一定的实用性。
关键词：控制；自平衡；实时性近年来，随着经济的不断发展和城市人口的日益增长，城市交通阻塞以及耗能、污染问题成为了一个困扰人们的心病。
新型交通工具的诞生显得尤为重要，两轮自平衡小车应运而生，其以行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。
但是，昂贵的成本还是令人望而止步，成为它暂时无法广泛推广的一个重要原因。
因此，开展对两轮自平衡车的深入研究，不仅对改善平衡车的性价比有着重要意义，同时也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及现实意义。
全国大学生飞思卡尔智能车竞赛与时俱进，第七届电磁组小车首次采用了两轮小车，模拟两轮自平衡电动智能车的运行机理。
在此基础上，第八届光电组小车再次采用两轮小车作为控制系统的载体。
小车设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械及能源等多个学科的知识。
1 小车控制系统总体方案小车以16位单片机MC9S12XS128MAL作为中央控制单元，用陀螺仪和加速度传感器分别检测小车的加速度和倾斜角度[1]，以线性CCD采集小车行走时的赛道信息，最终通过三者的数据融合，作为直流电机的输入量，从而驱动直流电机的差速运转，实现小车的自动循轨功能。
同时，为了更方便、及时地观察小车行走时数据的变化，并且对数据作出正确的处理，本系统调试时需要无线模块和上位机的配合。
基于PID控制器的两轮自平衡小车设计
基于PID控制器的两轮自平衡小车设计一、引言在自动控制领域中，PID控制器是一种常用的控制器。
它通过对系统输出进行反馈，来调节系统的输入，使系统的输出尽可能接近预期值。
本文将基于PID控制器设计一个两轮自平衡小车。
二、系统模型两轮自平衡小车是由两个驱动电机控制的，通过控制电机的转速来实现小车的前进、后退、转向等功能。
小车的整体结构是一个倒立摆，通过控制电机的转速，使其保持垂直状态。
系统的输入是电机转速，输出是小车的倾斜角度。
三、PID控制器PID控制器由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分组成。
这三个部分根据误差来计算控制信号，实现对系统的控制。
1.比例控制部分：比例控制器根据误差的大小来计算控制信号。
误差是指系统输出与期望输出之间的差异。
比例控制器的计算公式为u_p=K_p*e(t)，其中u_p是比例输出，K_p是比例增益，e(t)是误差。
2. 积分控制部分：积分控制器根据误差的累积值来计算控制信号。
积分控制器的计算公式为u_i = K_i * ∫e(t)dt，其中u_i是积分输出，K_i是积分增益，∫e(t)dt是误差的累积值。
3. 微分控制部分：微分控制器根据误差的变化率来计算控制信号。
微分控制器的计算公式为u_d = K_d * de(t)/dt，其中u_d是微分输出，K_d是微分增益，de(t)/dt是误差的变化率。
PID控制器的输出信号为u(t)=u_p+u_i+u_d，其中u(t)是控制信号。
四、设计与实现在设计两轮自平衡小车的PID控制器时，需要根据系统的特性来选择合适的参数。
通常可以通过试验或仿真来获得系统的模型，进而进行参数调节。
1.参数调节：首先，可以将系统的转角作为输入信号，通过试验或仿真来获得小车的倾斜角度与转角的关系。
然后，可以根据比例、积分和微分控制部分的特性，来选择合适的增益参数。
比例增益越大，系统的响应速度越快，但可能会引起震荡；积分增益可以消除静态误差，但可能会引起过冲；微分增益可以减小震荡，但可能会引起超调。
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两轮自平衡小车设计
一、任务要求
图1两轮自平衡车
两轮自平衡车结构原理如图1所示，主控制器（DSP）通过采集陀螺仪和加速度传感器得到位置信号，通过控制电机的正反转实现保持小车站立。
1、通过控制两个电机正反运动，实现小车在原地站立。
2、实现小车的前进、后退、转弯、原地旋转、停止等运动；
二、方案实现
2.1电机选型
图2直流电机
两轮自平衡车由于需要时刻保持平衡，对于倾角信号做出快速响应，因此对电机转矩要求较大。
在此设计中选用国领电机生产的直流电机，其产品型号为GB37Y3530，工作电压6v-12v。
为增大转矩，电机配有1:30传动比的减速器。
2.2电机测速方案
图3霍尔测速传感器
在电机测速方案上主流的方案有两种，分别是光电编码器和霍尔传感器。
光电编码器测量精度由码盘刻度决定，刻度越多精度越高；霍尔传感器精度由永磁体磁极数目决定，同样是磁极对数越高精度越高。
由于两轮自平衡车工作于剧烈震动环境中，光电编码器不适应这种环境，因此选用霍尔传感器来测量速度。
电机尾部加装双通道霍尔效应编码器，AB双路输出,单路每圈脉冲16CPR,双路上下沿共输出64CPR，配合1:30的减速器传动比，可以计算出车轮转动一圈输出的脉冲数目为64X30=1920CPR，完全符合测速要求。
2.3电机驱动控制系统概述
本平台电机驱动采用全桥驱动芯片L298N，内部包含4通道逻辑驱动电路，两个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器。
本驱动桥能驱动46V、2A 以下的电机。
其输出可以同时控制两个电机的正反转，非常适合两轮自平衡车开发，其原理图如下图所示
图4L298N原理图
采用脉宽调制方式（即PWM，Pulse Width Modulation）来调整电机的转速和转向。
脉宽调制是通过改变发出的脉冲宽度来调节输入到电机的平均电
压，即通过不同方波的平均电压不同来改变电机转速。
图5PWM脉宽调节示意
2.4倾角位置采集
倾角和角速度采集是两轮自平衡车控制的重点，选用MPU6050模块作为其采集模块。
图6MPU6050模块
模块内部集成了姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，能够在动态环境下准确输出模块的当前姿态。
可以输出XYZ三个方向的角度、角速度以及角加速度，精度达到0.01度，非常适合自平衡车角度信号采集。
2.5两轮自平衡车平衡控制和转向控制
图4.1展示的整车平衡控制的控制框图，可以看到通过采集车轮转动角度θ和整车倾角角度ψ，经过PID控制器得出输出给电机的电压U。
图4.2给出小车转向控制以及车速控制的基本原理。
转向时通过给定两轮极性相反的转速信号，小车可以实现原地转向。
同时为了实现小车在非转向情况下能够直线运动，设置了转差检测，保证时刻纠正小车方向。
图7控制器平衡控制框图
图8控制器转向控制框图
两轮自平衡车最终设计如下图所示，通过修正平衡控制和转向控制参数，小车最终达到稳定工作状态。
图9两轮自平衡车实物图。