自平衡小车原理

“陀螺仪”和“加速度计”工作原理

最近看到加速度计和陀螺仪比较火，而且也有很多人都在研究。于是也在网上淘了一个mpu6050模块，想用来做自平衡小车。可是使用起来就发愁了。网上关于mpu6050的资料的确不少，但是大家都是互相抄袭，然后贴出一段程序，看完之后还是不知道所以然。经过翻阅各个方面的资料，以及自己的研究在处理mpu6050数据方面有一些心得，在这里和大家分享一下。

1、加速度和陀螺仪原理

当然，在开始之前至少要弄懂什么是加速度计，什么是陀螺仪吧，否则那后边讲的都是没有意义的。简单的说，加速度计主要是测量物体运动的加速度，陀螺仪主要测量物体转动的角速度。这些理论的知识我就不多说了，都可以在网上查到。这里推荐一篇讲的比较详细的文章《AGuide To using IMU (Accelerometer and Gyroscope

Devices) inEmbeddedApplications》，在网上可以直接搜索到。

2、加速度测量

在开始之前，不知大家是否还记得加速度具有合成定理？如果不记得可以先大概了解一下，其实简单的举个例子来说就是重力加速度可以理解成是由x,y,z三个方向的加速度共同作用的结果。反过来说就是重力加速度可以分解成x,y,z三个方向的加速度。

加速度计可以测量某一时刻x,y,z三个方向的加速度值。而自平衡小车利用加速度计测出重力加速度在x,y,z轴的分量，然后利用各个方向的分量与重力加速度的比值来计算出小车大致的倾角。其实在自平衡小车上非静止的时候，加速度计测出的结果并不是非常精确。因为大家在高中物理的时候都学过，物体时刻都会受到地球的万有引力作用产生一个向下的重力加速度，而小车在动态时，受电机的作用肯定有一个前进或者后退方向的作用力，而加速度计测出的结果是，重力加速度与小车运动加速度合成得到一个总的加速度在三个方向上的分量。

不过我们暂时不考虑电机作用产生的运动加速度对测量结果的影响。因为我们要先把复杂的事情分解成一个个简单的事情来分析，这样才能看到成果，才会有信心继续。

基于卡尔曼滤波和PID控制的两轮自平衡车

【摘 要】针对两轮自平衡车的稳定和运动过程中的控制问题，我们在信号处理的过程中引入卡尔曼滤波对信号进行处理并且采用传统的pid控制，将控制过程分为三个部分，即站立、直线运动和转向。由于车体运动分为这三个部分，并且这三个部分必须几乎同时控制，所以采用分时控制每一部分的方法，该方法被成功应用于“飞思卡尔”智能车大赛，并且取得良好效果。

【关键词】倒立摆系统；自平衡车；卡尔曼滤波；pid控制

引言

倒立摆系统是控制系统的一个重要的分支和典型的应用。实际上它可以理解成在计算机的控制下，通过对系统各种状态参数的实时分析，使系统在水平方向或垂直方向上的位移和角度（角速度）的偏移量控制在允许的范围以内，从而使系统保持平衡。自平衡车就是以倒立摆系统为工作原理的成品，两轮自平衡智能小车直立行走是要求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。近年来，两轮自平衡电动车以其行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。国内外有很多这方面的研究，也有相应的产品。相对于传统的四轮行走的车模竞赛模式，车模直立行走在硬件设计、控制软件开发以及现场调试等方面提出了更高的要求。

实物图如下：

一、系统构成 整个模型车分为两个部分组成，即硬件电路和软件两部分。硬件电路主要由加速度计、陀螺仪、微控制器、编码器、线性ccd、电机驱动电路组成。由微处理器对陀螺仪、滤波电路和加速度计构成的传感器组进行高速a/d采样后，通过卡尔曼滤波器对传感器数据进行补偿和信息融合，得到准确的姿态角度信号，此角度信号再通过pid控制器运算，输出给电子调速器转换成pwm 信号，进而对电机进行控制。系统结构框图如下图所示：

二、卡尔曼滤波

加速度计用于测量物体的线性加速度，加速度计的输出值与倾角呈非线性关系，随着倾角的增加而表现为正弦函数变化。因此对加速度计的输出进行反正弦函数处理，才能得到其倾角值。测量数据噪声与带宽的平方根成正比，即噪声会随带宽的增加而增加。

小小发明家简单机械科学实验

在这篇文章中，我将向您介绍一些简单的机械科学实验，适合年轻的小小发明家们进行探索和学习。这些实验不仅能够培养孩子们的科学思维和动手能力，还能够让他们对机械原理有更深入的理解。下面，让我们一起来探索这些有趣的实验吧！

实验1：杠杆原理-平衡小车

杠杆是一个非常基本的机械原理。我们可以通过制作一个平衡小车，来演示杠杆原理的应用。

实验器材：

- 一根长木棍

- 两个小轮

- 两个重物（例如钢珠或小块砖头）

- 丝线或细绳

实验步骤：

1. 将木棍平放在桌子上，并确保其在桌子的中间位置。

2. 在木棍的两端分别固定小轮，记住它们应该在同一水平线上。

3. 将两个重物绑在木棍的两端，使得它们的质量相等。

4. 将一根丝线或细绳绕过木棍的中心，使小车保持平衡。 5. 尝试将其中一个重物移动到另一端，观察车子会如何反应。

实验原理：

当重物在杠杆的不同位置时，杠杆的平衡点会发生变化。当两个重物的质量相等并位于杠杆的相对位置时，小车就能够保持平衡。当质量发生改变或重物位置移动时，杠杆就会失去平衡。

实验2：托盘装置-保持平衡

托盘装置是一个简单而有趣的机械系统，它可以保持平衡并保持不倾倒。

实验器材：

- 一张平衡板（一块坚硬的木板或者塑料板）

- 两根竖直的木棍

- 一根横向连接木棍的木杆

- 一些小重物（例如小石子或者瓶盖）

实验步骤：

1. 将两根竖直的木棍固定在平衡板的两端，确保它们保持垂直。

2. 将横向连接木棍的木杆放在两根竖直木棍的上方，在每个木棍的两端固定木杆，使它们保持水平。

3. 在平衡板上平均分布一些小重物，使得它们的质量相等。 4. 观察平衡板是否能够保持平衡，并尝试移动一些重物进行实验。

实验原理：

平衡板的设计基于重心和杠杆原理。当小重物平均分布在平衡板上时，平衡板的重心与支撑点相等，保持平衡。当重物移动时，重心位置改变，平衡板就会失去平衡。

这些实验只是机械科学世界中的一部分，希望通过这些简单的实验可以激发出更多年轻小小发明家的创造力和好奇心。请记住，安全实验非常重要，一定要在成年人的监督下进行。祝愿每个小小发明家都能够享受科学探索的乐趣！

燕山大学

课 程 设 计 说 明 书

题目：双轮自平衡小车机器人系统设计与制作

学院（系）：机械工程学院

年级专业：12级机械电子工程

组 号：3

学生：

指导教师：史艳国 建涛 艳文 史小华 庆玲

唐艳华 富娟 晓飞 正操 胡浩波

日 期： 2015.11 燕山大学课程设计（论文）任务书

院（系）：机械工程学院 基层教学单位：机械电子工程系

组号 学生

设计题目 双轮自平衡小车机器人系统设计与制作

设

计

要

求 在课程研究项目所搭建的伺服控制系统的基础上，自主设计加工双轮车的机械系统，并完成智能双轮自平衡车系统装配与调试。

技

术

参

数 所搭建的双轮车系统需要具备以下基本功能：

a. 具备一定的自平衡能力，自动检测自身机械系统的倾角并完成姿态的调整；

b. 具备一定的负载承载能力，在加载一定重量的重物时能够快速做出调整并保证自身系统的自我平衡；

c. 具备速度调节能力，能够以不同的运动速度实现双轮车系统的前进、后退、左转与右转等动作；

d. 具备无线通讯功能，能够实现双轮自平衡车系统的无线远程操作控制。

工

作

量 （1）资料分析：查阅相关文献资料，对资料进行分析总结。

（2）机器人总体设计：确定机器人的具体任务要求，根据任务初步拟定机器人的技术参数、运动形式、机械结构、驱动方案、传动方案、控制方案等。

（3）机器人机械结构设计：将机器人分解为车身结构、机械臂和手爪等若干部分，分别对各个结构的关键部件进行详细设计并校核，绘制机器人总装图和关键零部件图。

（4）传感和信息检测及信息传输：根据任务要求，完成相关信息检测、处理，并完成信息的正确传输。

（4）运动控制方案设计；基于传感信息，采用单片机完成机器人控制系统硬件和软件的设计和系统调试。

（5）编制课程设计说明书

工

作

计

划 （1）资料查阅、分析总结，所需天数1天

（2）总体方案设计，所需天数2天