两轮自平衡车系统的设计
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。
两轮平衡车控制系统设计
此时系统两个极点为:图1总体结构图通过比较,对各模块做如下选择。
控制系统模块,采用AVR(ATmega16)单片机。
角度控制模块采用MMA7361。
陀螺仪模块采用图2总体系统电路原理图L298N电机驱动电路原理图传感器模块转接电路115Science&Technology Vision科技视界图3软件流程图5结论两轮自平衡小车是一个集多种功能于一体的综合系统,是自动控制理论与动力学理论及技术相结合的研究课题,其关键问题是在完成自身平衡的同时,还能够适应各种环境下的控制任务。
它是一种两轮共轴、独立驱动、车身中心位于车轮轴上方,通过运动保持平衡,可直立行走的复杂系统。
由于特殊的结构,其适应地形变化能力强,运动灵活,可以胜任一些复杂环境里的工作。
【参考文献】[1]黄有锐,曲立国.PID控制器参数整定与实现[M].北京:科学出版社,2010.[2]范世珣,范大鹏,张智永,孙海洋.机电装置频率特性的数字化测试方法研究[J].动力学与控制学报,2007,5.[3]丁学明,张培仁,杨兴明,徐勇明.基于单一输入法的两轮移动式倒立摆运动控制[J].系统仿真学报,2004,16.[4]K Pathak,J Franch,S K Agrawal.Velocity and Position Control of a WheeledInverted Pendulum by Partial Feedback Linearization[J].IEEE Trans.on Robotics,2005.的缘故。
(a)“电阻率-温度”关系图(0-300K)(b)“电阻率-温度”关系图(0-10K)图3图(a)为NdOFeP的电阻率与温度(2K至300K)的关系曲线图,图(b)为NdOFeP的电阻率与温度(2k至10K)的关系曲线大图。
(2)NdOFeP的磁性测量过程由于NdOFeP中含有微量的磁性杂质,抑制了样品本身的磁性质。
两轮智能平衡小车研究思路和方法
两轮智能平衡小车研究思路和方法两轮智能平衡小车是一种应用于机器人领域的新兴技术。
该车可以在不借助外力的情况下，保持平衡状态并完成各种运动任务。
本文将介绍两轮智能平衡小车研究的思路和方法。
一、研究思路两轮智能平衡小车的研究思路是将传感器、控制器和电机组成一个可控制的系统。
系统监测小车的姿态和运动状态，并调整车身的倾斜角度和转速，以保持平衡状态。
具体思路如下：1. 对小车的电路进行设计和搭建，包括底层硬件协议和数据传输协议。
2. 选择和安装传感器，包括加速度计和陀螺仪。
通过这些传感器来获取小车的姿态和运动状态的信息。
3. 设计小车的控制器，包括将传感器获取的数据转换成控制信号的代码。
4. 设计和调试小车的电机驱动程序，以保证控制信号能够按照设定的方式正确地操作电机，并实现车身的平衡控制。
5. 完成小车的充电和充电管理系统。
二、研究方法两轮智能平衡小车的研究方法主要可以分为以下几个阶段：1. 车载装置安装：选择合适的传感器并将其安装在小车上。
同时，需要在小车上安装电池和充电系统。
2. 传感器校准和参数优化：通过收集和分析传感器的数据，可以校准传感器的误差，并对传感器的参数进行优化，以提高控制精度。
3. 控制器设计：开发适用于平衡车的控制器，并对控制器进行验证。
在设计控制器时，需要将传感器输出的数据进行滤波处理，并设置控制参数，以实现正确的运动控制。
4. 电机驱动程序设计和测试：为小车设计驱动程序，使其能够实现平稳的平衡控制，并能够实现必要的运动步态。
同时，需要进行严格的测试和验证，以确保小车在运动时能够保持平衡。
5. 性能测试：通过对小车进行不同场景的测试，可以评估平衡车系统的性能。
测试时需要考虑不同的地形和环境条件，以评估平衡车的实际应用情况。
三、总结两轮智能平衡小车研究是一个复杂的系统工程，需要涉及机械结构、电子技术、传感技术、控制系统等多个领域。
在研究中需要充分利用各种工具和方法，规划研究方向和目标，设计测试方案和方法，以实现高效的研究和开发。
基于单片机的智能两轮自平衡车的设计
TECHNOLLGY APPLICATION基于单片机的智能两轮自平衡车的设计■■沈阳工学院：赵一澎■■唱红■■夏靖坤■何金■刘莹1.■引言如今移动机器人面临的环境和任务越来越繁杂，在这种情况下，就需要移动机器人必须能够适应一些复杂的环境和危险的任务。
因此开展对两轮自平衡小车的研究，这项研究在该领域的科研水平具有很重要的现实意义。
1.1 两轮自平衡小车的研究意义在面临一些复杂环境和艰巨的任务时，移动机器人通常会碰到一些狭隘的危险工作，在面对这样如此艰难的环境，研究者们针对移动机器人如何灵活快捷的执行任务的问题进行了深度的研究。
正是在这样一个背景下两轮自平衡小车的概念被提出来。
两轮自平衡小车的优点在于可以适应复杂的环境和控制任务，可以保持车身的平衡，在安防或者军事上会有更广阔的应用前景。
1.2 两轮自平衡小车的技术1.2.1 数学建模建立系统的模型，建立的重点在于动力学方面，两轮自平衡小车的结构主要由车身和双轮子两部分构成。
对两轮自平衡小车的建模方法，采用经典的力学方法，对小车进行受力分析，可分为车轮模型和车身模型两部分，最后通过对两者的稳定型和能观性的分析判断出系统的最优状态方程。
1.2.2 姿态检测两轮自平衡小车通过检测小车的姿态来对小车进行控制。
加速度计和陀螺仪等惯性传感器可以实时、准确的检测两轮自平衡车的倾角。
因此，采用陀螺仪和加速度两个传感器相结合，通过融合的算法对于两轮自平衡小车来说是实现有效控制的关键所在。
1.2.3 控制算法控制技术是运动控制的核心，两轮自平衡车属于本质不稳定系统，利用传统的PID技术进行可行性分析，传感器将车体的运动速度和倾角等信息传递给系统控制器，是车轮转速与角度值保持一致，系统控制器将最终命令传递给电机驱动器来完成系统的闭环控制。
2.■系统概述两轮自平衡小车的组成很简单，保持小车平衡和运动都是通过控制两个车轮完成的。
在未对系统进行控制时，小车处于静止的状态，此时的车身的状态可能会出现前倾或后倾。
双轮平衡车设计与控制系统研究
双轮平衡车设计与控制系统研究随着科技的进步和城市化的发展，出行方式也逐渐向着更加便捷和环保的方向发展。
目前，电动滑板车、电动自行车、共享单车等出行方式已经成为了人们生活中不可或缺的一部分。
其中，双轮平衡车作为一种新型交通工具，已经逐渐地走进人们的生活，成为一种新时代的代步方式。
双轮平衡车是一种基于倒立摆原理的电动车辆。
双轮平衡车的设计和控制系统分别起着极其重要的作用。
其中，设计是保证车辆稳定性的重要因素，控制系统则是保证车辆动态性能的关键。
本文将对双轮平衡车的设计与控制系统进行研究。
一、双轮平衡车的设计双轮平衡车的设计需要考虑对称性、重心、车宽、车高、灵活性等因素。
其中，对称性和重心是保证车辆稳定性的关键。
在设计双轮平衡车时，需要使车的上下对称性尽量完美，并使车的重心尽量靠近车轮的轴心，这样车辆才能够更好地保持平衡。
另外，车宽和车高也是设计过程中需要考虑的因素。
车宽过大会影响车辆的操控性，而车高过高则会影响车辆的稳定性。
因此，在设计过程中需要探索出适合双轮平衡车的车宽和车高的最佳比例。
同时，双轮平衡车需要拥有一定的灵活性，以便于车辆在不同路况下更好地适应。
二、双轮平衡车的控制系统双轮平衡车的控制系统是保证车辆动态性能的重要因素。
控制系统包括传感器、控制器、电机和电池等四个部分。
它们之间互相配合，相互影响，保证了车辆在运行过程中的稳定性。
传感器负责感知车辆的角度、速度、加速度等信息。
传感器通过反馈这些信息给控制器，控制器再根据这些信息对电机进行控制，使车辆能够维持平衡。
电机则是提供驱动力的关键，它通过电池进行动力转换，将电能转化为机械能，带动车轮转动。
在控制系统中，控制器的设计和控制算法是至关重要的。
目前，常用的控制算法有PID算法和模糊控制算法。
PID算法是一种比较成熟的控制算法，它通过不断调整控制参数来调节车辆的平衡状态。
而模糊控制算法则是一种基于模糊逻辑的控制算法，它通过构建模糊规则库来控制车辆的平衡状态。
自平衡车的控制系统设计
• 156•本文主要是对两轮自平衡车进行设计，以STC89C52单片机作为主控制器，用MPU6050姿态传感器来对两轮小车当前的状态进行检测操作，利用电机驱动对小车轮子进行控制，整体上实现小车的平衡状态。
Kalman 滤波对现场采集的数据进行实时的更新和处理，同时系统可以通过编码电路进行速度检测，以控制平衡小车的行驶方向。
现如今，随着社会经济的发展以及人们物质生活水平的提高，汽车等交通工具的出现在一定意义上满足了人们的现代化需求，带来了一定程度上的便利，但是也带来了一定的问题，例如：体积较大、在大城市中的停车问题、效能使用率较低，一旦发生交通拥堵还会带来一定的安全隐患。
所以为了满足不同环境内的需求，即使是在狭小的空间范围内也可以正常使用，自平衡小车的设计应运而生。
自平衡小车整体控制较为灵活，能够大大减少能源的消耗，整体运行操作简单，同时符合绿色环保的理念，在实际应用中可以作为人们短距离内的代步工具。
自平衡小车的设计推广不仅便利了人们的日常出行，同时激发了人们的外出运动的兴趣，在一定程度上锻炼了人们的身体素质，有益身心健康。
所以针对自平衡小车的进一步研究具有较强的现实推广意义。
1 系统设计及原理分析1.1 控制要求分析小车保持平衡和自然界中各种物体保持平衡的原理是一样的，那就是在一个相对平衡的状态下，哪个方向有变化的趋势，就向那个方向加一个相反方向的力，来推动物体保持平衡。
而对于自然界中的倾斜问题，往往采取的是物体向哪倾斜，就在那个方向上施加一个力，使它向倾斜的方向产生一个加速度，这样物体就保持平衡了。
例如美国人发明的运货的机器马，用力推它，它只会向你推它的方向运动，以此来保持平衡，这是一种负反馈的调节方式。
小车运动过程中保持平衡就是采用的负反馈控制，小车是靠两个轮子保持平衡的。
因此小车在出现倾斜时，平衡检测系统就会检测到小车的倾斜数据，然后调节小车两个轮子的速度来使其恢复之前的平衡状态。
1.2 小车数学模型控制小车的稳定运行，使小车始终保持平稳，需要对小车的模型进行受力分析，来找出使小车达到平衡最好的方法。
基于STM32F103C8T6的两轮自平衡车系统设计
文章编号：1007-757X(2021)01-0010-03基于STM32F103C8T6的两轮自平衡车系统设计聂茹(华南理工大学广州学院电子信息工程学院，广东广州510800)摘要：在STM32F103C8T6微控制器芯片基础上，提出了两轮自平衡车系统的一种设计方案。
系统方案包括STM32F103C8T6微控制器电路设计、车体姿态传感器MPU6050检测电路设计、电机驱动电路设计、以PID控制器为核心的软件设计。
经过测试，两轮自平衡车系统样机能够保持车体自我平衡并简单的直立行走，验证了硬件设计和软件设计的有效性和可靠性。
关键词：MPU6050；STM32；PID控制器；自平衡车中图分类号：TP212.9文献标志码：ADesign of Two-wheel Self-balancing Vehicle System Based on STM32F103C8T6NIE Ru(School of Electronic Information Engineering,Guangzhou College of SouthChina University of Technology,Guangzhou510800,China)Abstract:On the basis of STM32F103C8T6microcontroller chip,this paper presents a design scheme of two-wheel self-balancing vehicle system.The system scheme includesthe circuit design of STM32F103C8T6microcontroller,the detection circuit design of vehicle body attitude sensor MPU6050,the circuit design of motor drive,software design with PID controller as the core.After test,two-wheel self-balancing vehicle system prototype can maintain the self-balance of the car body and simply walk upright,which verifies the effectiveness and reliability of hardware design and software design.Key words：MPU6050；STM32；PID controller；self-balanced vehicle0引言当今社会，生活向着智能化、便捷化发展，两轮平衡车顺应时代潮流，成为适合多种场合使用的代步工具。
两轮平衡车建模与系统设计的开题报告
两轮平衡车建模与系统设计的开题报告
一、选题背景
随着技术的不断发展，越来越多新型的运动方式开始普及，其中，
两轮平衡车逐渐成为了时尚休闲运动的代表。
而二十一世纪初，随着马
达电动机和陀螺仪等技术的成熟，两轮平衡车得以实现电动化，从而吸
引了更多人的关注。
但是目前，两轮平衡车市场存在着诸多问题，如车
身稳定性、动力系统的优化、安全性等方面，这些问题都需要通过建模
与系统设计加以解决。
二、研究意义
本次研究旨在建立两轮平衡车的动力学模型和控制模型，通过仿真
的方式对两轮平衡车进行控制策略的评估，并提出制约两轮平衡车系统
稳定性和控制性能的因素，从而为两轮平衡车的设计与控制提供必要的
理论基础和技术支持。
三、研究内容
本次研究主要内容包括以下三个方面：
1. 两轮平衡车的动力学建模
2. 控制系统的设计与实现
3. 仿真验证与性能评估
四、研究方法
1. 建立两轮平衡车的动力学模型，包括运动学模型和动力学模型。
2. 设计控制策略，包括PD控制策略、LQR控制策略等。
3. 建立基于MATLAB/Simulink的仿真模型，对两轮平衡车进行模拟。
4. 通过仿真模型验证控制策略的有效性，并对控制性能进行评估。
五、预期目标
本次研究的预期目标为，建立较为准确的两轮平衡车动力学模型和控制模型，实现控制策略的设计与实现，通过仿真验证控制策略的有效性，并提出优化建议。
期望该研究的成果能够为两轮平衡车的设计与控制提供理论依据和技术支持。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
两轮自平衡车系统的设计
【摘要】两轮自平衡小车是一个集传感器系统、控制系统和推进系统于一体的机器人，通过多种传感器进行加速度、角度等数据采集、读取、处理后，将数据发送给控制器，由控制器控制电机的输出速度和转矩，让车体保持平衡，并能够按照操作者的意图前进、后退或转弯。
【关键词】自平衡车；传感器；控制器
0.引言
两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器人，是一种多变量、非线性、强耦合的系统，是检验各种控制方法的典型装置。
同时由于它体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。
1.系统功能设计
维持车体直立行驶可以设计出很多的方案，本方案假设维持车体直立，运行的动力都来自于车体的两个轮子，图（1）所示为自平衡小车系统框图。
两个车轮由大功率直流电机驱动。
因此从控制角度来看，车体作为一个控制对象，它的控制输入量是两个电极的转动速度。
车体运动控制任务可以分解成以下三个基本控制任务：
（1）控制车体平衡：通过控制两个电机正反向运动保持车体直立平衡状态。
（2）控制车体速度：通过调节车体的倾角来实现车体速度控制，实际上最后还是演变成通过控制电机的转速来实现车轮速度的控制。
（3）控制车体方向：通过控制两个电机之间的转动差速来实现车模转向控制。
三个分解任务各自独立进行控制。
由于最终都是对同一个控制对象进行控制，所以他们之间存在耦合。
最终三个控制参量累加到一起作用到电机上。
2.系统机械设计
平衡车的整体结构主要包括车身、左右车轮、左右悬架和操纵杆。
悬架和车轮之间6颗螺丝相连且可以相互转动；操纵杆则是靠2只较大的螺丝和车架固定。
3.系统硬件电路设计
3.1陀螺仪与加速计的数据采集与处理
陀螺仪采用村田公司的ENC-03，加速计采用MMA7260。
因为陀螺仪的动态响应较好，而加速计的静态响应较好，这就需要对两个传感器输出信号进行必要的处理。
陀螺仪输出模拟信号，且有差分接口，采用差分运放可以有效去除信号中的直流分量，在经过硬件积分电路，转换成陀螺仪输出角度。
后一级接入高通滤波器，去除温度对陀螺仪输出信号的影响。
加速计输出模拟信号，有三轴输出，由于加速计的静态响应较好，因此对于输出信号中的高频分量要去除，在加速计的后级加入低通滤波器，来去除车辆抖动对加速计输出信号的影响。
两路传感器输出信号接入单片机的AD采集端，将模拟信号转化为数字信号，再进行对应的数字滤波后。
送入单片机内直立算法控制区处理。
3.2大功率电机驱动电路设计
直流电机驱动使用最广泛的就是H型全桥式电路，这种驱动电路方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。
H桥式功率驱动原理所示，组成H桥驱动电路的4只开关管工作在斩波状态，S1，S4为1组，S2，S3为1组，这2组状态互补，当1组导通时，另一组必须截止，当S1，S4导通时，S2，S3截止，电机两端加正向电压实现电机的正转或反转制动；当S1，S4截止，S2，S3导通时，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。
根据驱动电路的需要，我们设计了一大功率直流电机驱动电路。
驱动电路的输入端和MCU连接，输入信号有PWM和DIR。
PWM为脉宽调制信号，用于控制电机的正反转向，输出端和电动机相连。
整个电路由电机驱动逻辑电路、光电隔离电路、驱动信号放大电路和H桥功率驱动电路组成。
4.系统软件设计
4.2 PID算法的研究
PID算法多应用于精确控制领域，对于直立车电机控制，PID算法是个很好的选择。
PID引入反馈控制，使得控制可以很精确，但是要想精确控制的适用性很广，控制系统就需要引入几个参数来调节。
PID算法有三个基本的参数，分别为Kp（比例系数），Ki（积分系数），Kd（微分系数）。
下面简单介绍下这三个系数的作用。
Kp：是按比例反应系统偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生作用用以减少偏差，比例系数的作用很大，可以加快调节，减少误差，但是比例过大，使得系统的稳定性下降，甚至不稳定。
Ki：消除系统稳态误差，提高无差度，因为有误差，积分调节就起到作用，直至误差消除。
积分调节停止，积分调节的灵敏度取决于Ti（积分时间）的大小，Ti越小，积分作用越强，反之越弱。
Kd：微分作用反应系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。
因此，可以很好改善系统的动态性能。
4.3车体控制算法包括
车体直立控制算法：（1）电机测速脉冲计数器读取与清除。
累计电机转动角度。
累计电机速度，为后面车体速度控制提供平均数；（2）启动AD转换。
进行20次模拟量采集，然后计算各个通道的模拟量的平均值。
这个过程是对于模拟信号进行低通滤波。
（3）车体直立控制过程。
包括车体角度计算、直立控制计算、电机PWM 输出等。
（4）车体速度控制：在这个时间片段中，又进行0-19 计数。
在其中第0 片段中，速度PID 调节。
因此，速度调节的周期为100 毫秒。
也就是每秒钟调节10 次。
（5）车体方向控制：根据前面读取操作杆的电位器值变化，计算偏差数值。
然后进行计算电机差模控制电压数值。
[科]
【参考文献】
[1]马场，清太郎.运算放大器应用电路设计.科学出版社，2011.
[2]何跃，林春梅.PID控制系统的参数选择研究及应用[J].计算机工程设计，2006.
[3]魏延辉，刘胜，高延滨等.基于两轮自平衡机器人组合定位方法的研究[J].机械与电子，2010.
[4]蒋伟洋，邓迟，肖晓萍，两轮自平衡车系统制作研究[J].国外电子测量技术，2012.。