双轮自平衡小车

学号：24101901695南湖学院毕业论文（设计）题目：两轮自平衡小车的电动减速轮设计作者lxxxx 届别xxx 系别xxxx 专业xxx 指导老师xxxx 职称xxx 完成时间xxxxx摘要两轮自平衡机器人与两轮自平衡电动车都属于两轮自平衡系统的范畴。

两轮自平衡小车是一种可靠、便捷、环保的短途运输交通工具，它占地面积小，通过路面的能力强，并且非常灵活，适用于场馆、机场等地。

近年来国内外对两轮自平衡机器人的控制研究较多，但针对其机械结构的研究却较少，尤其是对两轮自平衡电动车的研究更是少之又少。

本文总结了国内外相关领域的研究成果，对两轮自平衡电动车的减速轮进行了机械设计，选择了各零部件合适的材料，绘制了减速轮的零件图和装配图，并对轴承进行了强度校核。

关键词：两轮自平衡；减速轮；机械设计；Pro/EAbstractBoth the two-wheeled self-balancing electric vehicle and the two-wheeled self-balancing robot belong to the two-wheeled self-balancing system .Since the two-wheeled self-balancing electric vehicle is a kind of reliable and convenient, environmental protection and short-distance transportation vehicles, it covers an area of small, it has the ability to through the pavement, and it is very flexible , and it is applicable to the venue, airport, etc. In recent years studies of the two- wheeled self-balancing robot are too numerous to mention，and most of them focus on the control but not the structure. After having summarized the research results of the field，this thesis designed the two- wheeled self-balancing electric vehicle gear wheel’s mechanical design, choose various spare parts suitable materials, draws the part drawing and the assembly drawing about the gear wheel, and the bearing force respectively.Key words: two- wheeled self-balancing；gear wheel;mechanical design；Pro/E目录第一章绪论 (1)1.1 本论文研究背景 (1)1.2 国内外研究现状 (1)1.2.1 国外研究现状 (1)1.2.2 国内研究现状 (5)1.3 两轮自平衡机器人的研究意义 (6)第二章两轮自平衡系统的平衡原理 (7)第三章两轮自平衡电动车结构的分析 (9)3.1 总体方案分析 (9)3.2 确定减速轮的设计方案 (11)3.2.1 一般自行车电动减速轮结构方案设计 (11)3.2.2 自平衡电动车减速轮整体结构设计 (12)第四章电动减速轮的设计 (15)4.1 Pro/E的介绍 (15)4.2 电机的选择 (15)4.3 轮轴的设计 (16)4.3.1 轴的概述 (16)4.3.2 轴的结构设计 (16)4.3.3 轴的具体装配设计 (17)4.4 减速器设计 (18)4.4.1 减速比的确认 (18)4.4.2 各齿轮参数的确认 (19)4.5 惰轮架设计 (21)4.6 车轮(轮壳)设计 (21)4.7 轴承的选择、定位 (23)4.7.1 轴承的介绍 (23)4.7.2 轴承的选择 (23)4.8 车轮装配体 (24)4.9 减速轮轴承的校核 (25)4.9.1 内侧轴承校核 (25)4.9.2 惰轮轴承寿命校核 (26)第五章全文总结 (30)参考文献 (31)致谢 (32)第一章绪论1.1 本论文研究背景自20 世纪 60 年代人类研制出第一台机器人以来，机器人技术就显示出了强大的新生力，在将近 50 年的时间里，机器人技术得到了飞速的发展[1]。

“风行者”-自平衡两轮车设计说明图1.“风行者”-自平衡两轮车设计草图“风行者”自平衡两轮车不仅是交通工具，还是一个新概念的健身器材。

“风行者”-自平衡两轮车内部有一个跑步踏板,驾驶者可以在踏板上行走或者跑步,车子根据驾驶者的步速调整车速。

图2.内部踏板驾驶者可以通过车内的交互系统设置速度差比例。

最高可设置10倍速度差，例如人步行每小时5公里，如果设置5倍速度差，“风行者”将以每小时25公里的时速前进。

如果设置10倍速度差，“风行者”将以50公里每小时的速度前进。

由于安全的因素，“风行者”最高可以设置10倍速度差比例。

图3.通过车内交互系统设置速度差由于“风行者”采用了与传统的车辆完全不同的驾驶方式，因此车辆的转弯需要依靠驾驶者的身体语言来控制，在奔跑的过程中驾驶者通过倾斜身体来控制车子行进的方向，“风行者”监测到身体倾斜的角度后通过电脑控制车辆的转弯方向和角度。

“风行者”没有传统车辆的转弯结构，转弯是依靠两个车轮的旋转方向和旋转差速实现车辆转弯。

图4.方向控制示意图“风行者”利用人类走路或者跑步时的平衡模式原理，使车仓在运动模式下保持空间平衡。

“风行者”在驾驶者驾驶过程中全程监测驾驶者身体状态。

一旦发现驾驶者身体出现意外状况，就会自动接通医院急救电话和驾驶者的亲属，并告知其原因和地点。

并自动将车辆安全停靠到安全地带，等待救援人员到来。

图5.安全实时监控“风行者”采用电能作为动力能源。

可以采用家庭交流电和加电站为“风行者”充电。

“风行者”采用快速充电技术，可以在极短的时间内为“风行者”充满电能。

另外“风行者”可以将驾驶人员跑步所产生的的能量转为电能，使资源利用最大化。

图6.充电示意图当驾驶人员疲惫后，但又没有到达目的地，“风行者”可以切换为自动驾驶模式，弹出隐藏的座椅。

并根据设定好的目的地自动识别路线，自动避让车辆，将驾驶者安全快速的送达到目的地。

图7.隐藏式座椅由于“风行者”独特的车身结构，无法采用传统车辆“车轴”式的模式。

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。

自动跟随平衡小车的设计1 绪论1.1 研究背景与意义1.1.1 研究背景当今时代是产业智能化的时代，新兴的信息技术正在快速应用于各行各业，现代科学技术已经成为了产业变革最主要的推动力。

根据《中国制造2025》计划所述，我国将加大力度对智能自动化工程、智能交互机器人、智能交通管理、智能电器、智能家居控制等产业进行引领和推动。

此外，还应根据消费需求的动态感知，从研发、制造和产业组织模式等方面开发一系列新的制造模式。

2018年12月底，全国工业和信息化部部署2019年工作，其涉及智能制造、信息消费、5G等领域。

智能制造业的兴起和引起人们的重视，得益于人工智能的研究和发展，其可以理解为人工智能系统的前沿技术。

人机一体化智能系统是智能化技术早期的应用探索之一，正在逐步发展成为一种混合智能技术。

人机一体化智能系统的智能化应用主要体现在智能机械上，而对于人们的日常生活来说，智能化在在智能机器人的应用上体现得最为明显。

在工业生产上，很多领域通过智能化装置的应用，实现了手动控制与自动控制的结合，节省了人力，降低了物料损耗，提升了生产效率和经济性。

随着智能化在不同产业的生成过程中应用愈发广泛，其承担的作用也越来越重要。

1.1.2 研究意义1.推进双轮自平衡车的智能化研究自动跟随技术已经经历了很长时间的发展。

早在很多年以前，国内外的研究人员就开始了对自动跟随技术具体应用的探索，设计出了自主跟随四轮小车，自主跟随无人机等作品。

由于那个时期的自平衡车的相关技术还不成熟，导致很少有自动跟随技术在平衡车上应用。

在性质上，双轮自平衡车从属于智能机器人的发展范畴，在移动载具方面，它有所占空间小、驾驶灵活、容易停车且便于携带等特点，非常适合短距离的代步和应用于娱乐活动。

但由于自平衡车在交通复杂的环境下，其安全性能并不稳定，并且对驾驶者的安全防护措施比较欠缺，导致自平衡车的交通事故发生频繁，事故损伤普遍偏重，致使现阶段很多城市都出台法令限制平衡车通行；另一方面，在平衡车跟随功能方面，小米正在成为先驱者，虽然小米平衡车的性能和适用范围还有很多不足之处，但自动跟随相关研究方向的正确性已被证明，这也将成为未来服务型机器人种类中特殊的一面。

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。

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。

平衡小车原理
平衡小车原理是指通过一定的控制方式使小车能够在速度、角度等方面保持平衡的一种技术。

平衡小车通常由一个车身和两个电机组成，车身上设有惯性测量传感器，用于测量小车的倾斜角度。

根据测量得到的倾斜角度，通过控制电机的转动来实现平衡。

平衡小车原理的核心是通过反馈控制系统来实时调整电机的输出力矩，使小车保持平衡。

当小车倾斜时，惯性测量传感器会检测到倾斜角度的变化，并将此信息传送给控制系统。

控制系统根据传感器的信号来计算出电机的输出力矩，进而控制电机的转动。

通过调整电机的转动速度和方向，控制系统可以实现对小车的平衡控制。

具体而言，当小车向前倾斜时，控制系统会增加后面电机的输出力矩，使其转动速度加快，产生向前的力，从而抵消小车的倾斜；反之，当小车向后倾斜时，控制系统会增加前面电机的输出力矩。

通过不断的调整，控制系统能够实现对小车的平衡控制，使其能够保持平稳行驶。

除了倾斜角度的控制，平衡小车还需要进行速度和角度的调整。

当需要小车前进或后退时，控制系统会相应地调整电机的输出力矩和转动方向，使小车能够按照所需的速度和方向运动。

当需要小车转弯时，控制系统会通过不同的力矩分配来实现转向控制。

综上所述，平衡小车原理是通过反馈控制系统来实现对小车倾
斜角度、速度和角度的实时调整，从而实现小车的平衡控制。

这一原理在实际应用中有着广泛的应用，如物流仓储、巡检机器人等领域，为人们的生产生活带来了便利。

双轮平衡车发展历程双轮平衡车，也被称为电动平衡车或自平衡电动滑板车，是一种由两个轮子组成的个人交通工具。

它通过借助内置的电机和陀螺仪等传感器，实现了自动平衡和控制。

这种车辆的发展历程可以追溯到20世纪80年代末。

最早的双轮平衡车是由日本电子制造商Segway推出的。

Segway于2001年发布了他们的第一款平衡车产品，通过重心的转移实现了前进、后退和转弯等基本操作。

虽然这款车在技术上取得了突破，但由于高昂的价格和独特的外观，未能在市场上取得大规模的成功。

随着时间的推移，双轮平衡车的技术逐渐成熟，价格也逐渐降低。

此后，各家制造商纷纷推出了自己的平衡车产品。

其中，国内企业九号科技以其出色的产品质量和领先的技术水平在市场上脱颖而出。

他们于2014年推出的平衡车产品一经问世，就迅速风靡全球。

双轮平衡车的应用范围也逐渐扩大。

最初，它被广泛应用于公共交通领域中的短途代步，例如在大型展览馆、机场和商业购物区域等。

随着用户对便携出行工具的需求增长，一些企业开始将双轮平衡车推向个人消费市场。

这些产品通常拥有更小巧轻便的设计，适用于城市通勤和个人休闲娱乐。

近年来，随着新能源技术的发展和环保意识的增强，双轮平衡车也逐渐向电动化方向发展。

越来越多的平衡车产品使用环保的锂电池作为动力来源，从而减少了对传统燃油的依赖。

同时，一些企业还开始尝试将双轮平衡车与其他出行工具进行结合，例如与电动自行车、滑板车和智能手机等连接。

未来，双轮平衡车有望在智能交通领域发挥更重要的作用。

随着人工智能和自动驾驶等技术的进一步发展，双轮平衡车可能会与其他交通工具形成无缝连接，为人们提供更加方便、高效和环保的出行方式。

同时，随着用户需求的变化，平衡车的设计和功能也将不断创新，以满足不同人群的需求和喜好。

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。

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-Wheel Self-Balance Vehicle based onMicrocontrollerAbstractTwo-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 gravityaccelerometer 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 forcontrolling 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 statequickly 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。

本科毕业设计（论文）题目两轮自平衡小车的设计学院电气与自动化工程学院年级专业班级学号学生姓名指导教师职称论文提交日期两轮自平衡小车的设计摘要近年来，两轮自平衡车的研究与应用获得了迅猛发展。

本文提出了一种两轮自平衡小车的设计方案，采用陀螺仪ENC-03以及MEMS加速度传感器MMA7260构成小车姿态检测装置，使用卡尔曼滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合。

系统选用飞思卡尔16位单片机MC9S12XS128为控制核心，完成了传感器信号的处理，滤波算法的实现及车身控制，人机交互等。

整个系统制作完成后，各个模块能够正常并协调工作，小车可以在无人干预条件下实现自主平衡。

同时在引入适量干扰情况下小车能够自主调整并迅速恢复稳定状态。

小车还可以实现前进，后退，左右转等基本动作。

关键词：两轮自平衡陀螺仪姿态检测卡尔曼滤波数据融合IDesign of Two-Wheel Self-Balance VehicleAbstractIn recent years, the research and application of two-wheel self-balanced vehicle have obtained rapid development. This paper presents a design scheme of two-wheel self-balanced vehicle. Gyroscope ENC-03 and MEMS accelerometer MMA7260 constitute vehicle posture detection device. System adopts Kalman filter to complete the gyroscope data and accelerometer data fusion.，and adopts freescale16-bit microcontroller-MC9S12XS128 as controller core. The center controller realizes the sensor signal processing the sensor signal processing, filtering algorithm and body control, human-machine interaction and so on.Upon completion of the entire system, each module can be normal and to coordinate work. The vehicle can keep balancing in unmanned condition. At the same time, the vehicle can be adjusted independently then quickly restore stability when there is a moderate amount of interference. In addition, the vehicle also can achieve forward, backward, left and right turn and other basic movements.Key Words: Two-Wheel Self-Balance; Gyroscope; Gesture detection; Kalman filter; Data fusionII目录1.绪论 (1)1.1研究背景与意义 (1)1.2两轮自平衡车的关键技术 (2)1.2.1系统设计 (2)1.2.2数学建模 (2)1.2.3姿态检测系统 (2)1.2.4控制算法 (3)1.3本文主要研究目标与内容 (3)1.4论文章节安排 (3)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)3.系统硬件电路设计 (17)3.1 MC9SXS128单片机介绍 (17)3.2单片机最小系统设计 (19)3.3 电源管理模块设计 (21)3.4倾角传感器信号调理电路 (22)III3.4.1加速度计电路设计 (22)3.4.2陀螺仪放大电路设计 (22)3.5电机驱动电路设计 (23)3.5.1驱动芯片介绍 (24)3.5.2 驱动电路设计 (24)3.6速度检测模块设计 (25)3.6.1编码器介绍 (25)3.6.2 编码器电路设计 (26)3.7辅助调试电路 (27)3.8本章小结 (27)4.系统软件设计 (28)4.1软件系统总体结构 (28)4.2单片机初始化软件设计 (28)4.2.1锁相环初始化 (28)4.2.2模数转换模块（ATD）初始化 (29)4.2.3串行通信模块（SCI）初始化设置 (30)4.2.4测速模块初始化 (31)4.2.5 PWM模块初始化 (32)4.3姿态检测系统软件设计 (32)4.3.1陀螺仪与加速度计输出值转换 (32)4.3.2卡尔曼滤波器的软件实现 (34)4.4平衡PID控制软件实现 (36)4.5两轮自平衡车的运动控制 (37)4.6本章小结 (39)5. 系统调试 (40)5.1系统调试工具 (40)5.2系统硬件电路调试 (40)5.3姿态检测系统调试 (41)5.4控制系统PID参数整定 (43)5.5两轮自平衡小车动态调试 (44)IV5.6本章小结 (45)6. 总结与展望 (46)6.1 总结 (46)6.2 展望 (46)参考文献 (47)附录 (48)附录一系统电路原理图 (48)附录二系统核心源代码 (49)致谢 (52)V常熟理工学院毕业设计（论文）1.绪论1.1研究背景与意义近年来，随着电子技术的发展与进步，移动机器人的研究不断深入，成为目前科学研究最活跃的领域之一，移动机器人的应用范围越来越广泛，面临的环境和任务也越来越复杂，这就要求移动机器人必须能够适应一些复杂的环境和任务。

基于串级PID控制的两轮自平衡车控制系统设计摘要：伴两轮平衡车的状态变量多、系统模型非线性、变量间强耦合、时变性等不稳定，需要高效的控制算法和控制周期。

本文采用串级PID控制系统配合互补滤波算法姿态解算，实时精确地控制无刷直流电机，以角速度环为最内环，角度环与速度环为外环实现了闭环控制。

系统结果表明，基于串级PID控制的控制系统能够有效控制两轮自平衡车的运行。

关键词：两轮自平衡车；控制算法；控制周期引言两轮平衡车是通过电机对左右两轮进行力矩输出保持平衡的类倒立摆系统，具有结构小巧、控制高效和转弯灵活等特点已经成为移动机器人的研究热点。

对于自平衡车控制系统，已有不同的控制理论被提出，其中常用于实际应用的控制算法有常规PID控制、自适应控制、模糊控制等。

采用串级PID控制系统配合互补滤波算法姿态解算，通过实时精确地控制无刷直流电机，以角速度环为最内环，角度环与速度环为外环实现了闭环控制。

在实践赛道中表现出具有良好的动态特性，反应迅速。

一、系统整体设计本文要求能识别赛道方向信息，自主控制姿态，通过两轮驱动以直立姿态行驶在铺有电磁线的赛道上，并且同时在微控制器上采集到的各个传感器信息无线传输到PC上位机。

系统设计整体架构如图 1，微处理器选用飞思卡尔的MK6ODN512ZVLQ1O为控制中心，通过外接电磁传感器、MPU6050三轴姿态传感器、测速512线编码器来获取当前车体的方向、姿态、速度信息。

通过微处理器运算后输出PWM控制信号给驱动模块驱动电机运转，同时通过NRF24L01无线传输模块发送信息到上位机进行监视。

二、软件设计2.1软件总体设计框架由于两轮平衡车是一种典型的倒立摆模型，根据平衡车的自平衡原理，当检测到传感器解算出的角度与预设机械零点角度不同即车体发生倾斜时，为保持车体平衡，需要电机发力驱动车向前或向后获得加速度，让重心移动来达到系统动态平衡。

在开通电源后，传感器必须进行初始化，从而保证传感器的工作正常。

第30卷第12期2020年12月长春大学学报JOURNAL OF CHANGCHUN UNIVERSITYVol.30No.12Dec.2020基于单片机的两轮自动平衡小车系统的设计杜丽敏，王岩（长春大学电子信息工程学院，长春130022）摘要：通过对倒立摆模型的受力分析，使两轮小车保持自平衡运行状态。

硬件上采用STM32F103ZET6单片机为核心控制器，利用MPU6050检测小车的速度和加速度，选择L298N驱动两个两相直流电机，采用霍尔测速码盘获得电机的转速，通过电磁检测电路实现电磁轨迹跟踪。

软件上采用PI和PD构成串级控制算法,MPU6050采集到的小车姿态数据经卡尔曼滤波进行数据处理。

最终实现了平衡车的稳定控制，完成了小车直立和行走功能。

关键词：两轮自动平衡小车；STM32F103ZET6；MPU6050；串级控制器；卡尔曼滤波中图分类号:TP273文献标志码:A文章编号：1009-3907（2020）12-0019-06两轮自动平衡车凭借其运动灵活、体积小巧、经济环保等优点逐渐被人们喜欢，并且在人们的生产生活中起着越来越重要的作用。

两轮自动平衡小车采用倒立摆工作原理,使小车保持平衡状态，其系统具有非线性、强耦合、不稳定等特点⑴。

因此,两轮自平衡车不仅在市场中有很大的价值和前景，在验证或校验控制算法和控制理论上更有一个很好的实验平台［2］。

文献［3-4］设计了基于LQR的最优控制器,该控制算法具有较快的动态响应速度，对于干扰具有良好的鲁棒性;文献［5］针对和LQR两种控制方法进行了对比分析，证明了前者在欠驱动系统的控制中具有一定的参考价值;文献［6］针对两轮平衡小车给出了硬件设计方案，以及基于PID的控制算法，实验中验证了设计方案的可行性。

本文主要研究了PID控制算法在两轮自动平衡小车中的应用。

首先，构建以STM32F103ZET6单片机为核心的两轮直立小车控制系统;其次，对两轮自动平衡小车进行了数学建模,验证了PD控制算法可以使小车保持直立稳定状态，进而基于PID设计了串级控制算法;最后将所设计的控制算法应用在了实物中，实现了小车的直立和行走功能。

龙吟tt平衡车说明书龙吟TT平衡车说明书第1章：产品概述1.1 产品介绍龙吟TT平衡车是一款专为城市出行设计的电动双轮平衡车，采用先进的自平衡技术，能够实现人机同步、稳定平衡行驶。

它具有结构简单、便携轻巧、环保节能等特点，成为现代出行的有力伙伴。

1.2 主要特点1.2.1 自平衡龙吟TT平衡车内置先进的陀螺仪和智能控制系统，通过感知身体重心的变化，实现自动平衡调节，用户只需微调身体姿势，即可实现前进、后退、转向。

1.2.2 操控简单龙吟TT平衡车采用双脚点地驱动方式，只需通过身体的前倾、后仰、左右转动来控制车辆的移动。

操作简单，上手容易，适合各个年龄段的使用者。

1.2.3 便携轻巧龙吟TT平衡车采用轻量化设计，重量仅为15kg，便于携带和存放。

同时，车身采用折叠设计，可以将车身快速折叠为一个小巧的尺寸，方便搭乘公共交通工具或存放在车辆后备厢。

1.2.4 安全可靠龙吟TT平衡车具备多重安全保护机制，如速度限制、倾角保护、过充保护等。

车辆在使用过程中，可以自动检测车况并及时发出警告，保障用户的安全。

1.2.5 环保节能龙吟TT平衡车采用电动驱动方式，不产生尾气和噪音污染，对环境友好。

配备高效锂电池组，续航里程长，充电方便快捷，实现低能耗出行。

1.2.6 智能连接龙吟TT平衡车内置智能芯片，可以与智能手机通过蓝牙连接，实现车辆参数调整、数据查看和故障诊断等功能。

用户可以通过手机APP来管理和控制车辆的使用。

第2章：使用及注意事项2.1 使用前准备2.1.1 安装车把在龙吟TT平衡车上方找到车把的安装位置，插入车把到指定位置，并紧固好螺丝。

2.1.2 充电使用龙吟专用充电器将电源插头连接到车身的充电接口，然后插入电源插座进行充电。

充电时请勿超过指定时间，避免过度充电。

2.2 操作方法2.2.1 上下车站在龙吟TT平衡车旁边，用一只脚踩住车身上的踏板，另一只脚从地面上迅速跨到车身的踏板上，保持平衡即可上车。

两轮平衡车的原理是什么？展开全文与独轮平衡车相比，两轮最大的区别便是多了一个轮子和操纵杆，但它与电动自行车和摩托车车轮前后排列方式不同，而是采用两轮并排固定的方式，就像一种两轮平行的机器人一样。

两轮自平衡控制系统是一种两轮左右平行布置的，像传统的倒立摆一样，本身是一个自然不稳定体，必须施加强有力的控制手段才能使之稳定。

因为两轮平衡车具有运动灵活、智能控制、操作简单、节省能源、绿色环保、转弯半径为零等优点，所以它适用于在狭小空间内运行。

双轮平衡车的工作原理，非常类似于我们人体自身的平衡系统。

就我们的人体而言，当身体重心前倾时，为了保证平衡，我们需要往前走；而当重心后倾时，我们需要往后走，其中也是同样的道理。

当我们在驾驶平衡车的时候，平衡车的两个轮子就代替了双脚。

与身体的平衡系统非常类似，当我们的重心前倾时，智能系统就会自动感应到，并精确地驱动轮子向前运动，以保持平衡；同样地，当我们身体的重心后倾时，轮子就会向后运动。

这套工作原理被称为“动态平衡”原理，这也是平衡车被叫做“平衡车”的原因；有时也被叫做“体感车”，这是因为它能感应身体重心的变化，因驾驶者姿态的变化而改变行驶状态；有时也被叫做“思维车”，这是因为它能够智能感应重心变化、智能调整姿态和运行状态。

平衡车利用“动态平衡”原理，采用第二代运动补偿算法，利用其内部的陀螺仪和加速度传感器，来精确检测车体姿态的微小变化，并利用精密的伺服控制系统，灵敏地驱动电机，进行相应的调整，以保持整个车体的稳定和平衡。

当我们旋转方向操纵杆时，运行系统会相应地控制左右两边的速度差，以此来实现车体的转向。

因此在骑行过程中，将方向操纵杆指向您需要前进的方向时，车体将会朝着我们指向的方向行驶。

当方向操纵杆处于车体正中间位置时，系统将朝正前方行驶。

并且在转向时，如果身体跟随方向操纵杆倾斜的方向倾斜，那么我们将会获得更好的转向体验。

平衡车不仅拥有时尚动感的炫酷外观，在其内部有一个极致精密的智能运行系统，用“秀于外，慧于中”来形容最贴切不过了。

学号：***********毕业设计说明书两轮自平衡小车的设计Design of self balancing two wheeled vehicle学院计算机与电子信息学院专业电子信息科学与技术摘要摘要近年来，两轮自平衡车研究和应用获得了快速的发展，但是存在陀螺仪漂移及加速度计的动态响应慢的问题。

针对这个问题，本文提出了一种改进的两轮平衡车设计方案，采用陀螺仪以及MEMS加速度传感器构成小车姿态检测模块，使用卡尔曼滤波算法完成陀螺仪与加速度计的数据融合。

系统选用飞思卡尔32位单片机Kinetis K10为控制核心，完成各种传感器的信号放大处理，滤波算法的研究实现以及车身的状态控制等。

整个系统完成后，各个模块能够正常协调工作，小车可以在无人干预的情况下实现直立平衡的功能。

同时两轮平衡小车能够在引入适量干扰的情况下，自动地调整小车的姿态并恢复稳定的状态，基本实现本文设计的要求。

关键词：两轮自平衡飞思卡尔姿态检测陀螺仪卡尔曼滤波广东石油化工学院本科毕业设计：两轮自平衡小车的设计AbstractIn recent years, the research and application of two-wheels self-balanced vehicle have an obtained rapid development, but there is the problem of slow response of dynamic drift and acceleration gyrometer. To solve this problem, this paper presents a design schemes of two-wheels self-balanced vehicles. Gyroscopes and MEMS accelerometer constitute vehicle posture detection device. System adopts to Kalman filters to complete the gyroscope‘s data and accelerometer data fusion, and adopts freescale32-bit microcontroller-Kinetis K10 as core controller. The center controller realize the sensor signal processing and the sensor signal processing, filtering algorithm and body control and so on. Upon completion of the entire system, the each modules can normal and to coordinate work. The vehicles can keep balancing in unmanned condition. At the same time, the vehicle can be adjust independently and then quickly restores stabilitly when there is a moderates amount of interference, basic to meet the design requirements.Key Words: Two-Wheel Self-Balance; Freescale; Gesture detection; Gyroscope; Kalman filter目录目录摘要 (I)目录 ................................................................................................................................................. I II 第1章绪论. (1)1.1研究背景及意义 (1)1.2两轮自平衡小车的发展概况 (1)1.2.1国外的研究成果 (2)1.2.2国内的研究成果 (2)1.3研究目的与内容 (3)1.4本章小结 (3)第2章系统原理分析 (4)2.1平衡控制原理分析 (4)2.2 自平衡车数学模型 (5)2.2.1 两轮平衡车的受力分析 (5)2.2.2两轮自平衡小车运动微分的方程 (8)2.3 PID控制器 (9)2.3.1 PID控制器原理 (9)2.3.2 PID控制器设计 (10)2.4 倾角检测系统 (11)2.4.1 陀螺仪 (12)2.4.2 加速度计 (12)2.4.3 基于卡尔曼滤波的数据融合 (13)2.5 本章小结 (15)第3章系统硬件设计 (16)3.1飞思卡尔Kinetis K10单片机介绍 (16)3.2 单片机最小系统设计 (17)3.3 电源管理模块设计 (18)3.4 倾角传感器信号调制电路 (19)3.4.1 加速度计电路设计 (19)3.4.2 陀螺仪电路设计 (19)广东石油化工学院本科毕业设计：两轮自平衡小车的设计3.5 直流无刷电机 (21)3.5.1 直流无刷电机特性 (21)3.5.2 直流无刷电机工作原理 (21)3.5.3 直流无刷电机调速 (21)3.6 电机驱动电路设计 (22)3.6.1 驱动芯片介绍 (22)3.6.2 驱动电路设计 (23)3.7 速度检测模块设计 (24)3.7.1 编码器介绍 (25)3.7.2 编码器的电路设计 (26)3.8 硬件设计中的抗干扰措施 (26)3.9 本章小结 (27)第4章系统软件设计 (28)4.1 单片机初始化软件设计 (29)4.1.1 延时初始化 (29)4.1.2 通用输入输出口（GPIO）初始化 (29)4.1.3 模数转换模块（ADC）初始化 (29)4.1.4 脉冲宽度调制模块（PWM）初始化 (29)4.2 姿态检测软件设计 (30)4.2.1 陀螺仪与加速度计输出值处理 (30)4.2.2 卡尔曼滤波器的软件实现 (31)4.3 PID控制算法软件实现 (32)4.4 运动控制 (33)4.5 本章小结 (34)第5章系统调试 (35)5.1 硬件调试 (35)5.2 软件调试 (35)5.3 串口调试 (36)5.4 本章小结 (37)全文总结与展望 (38)致谢 ...................................................................................................................错误!未定义书签。

两轮自平衡小车的建模与控制李杨;战艺;周晓明;袁辉【摘要】两轮自平衡小车利用状态反馈法和串级PID控制实现其原地直立.对两轮自平衡车进行建模,通过测量两轮小车的实际物理参数,根据动力学、电气关系建立系统的数学模型,运用设计控制算法来对两轮小车实施控制并通过MATLAB来仿真控制效果.仿真和实验结果表明:基于状态空间表达式的控制器比基于传递函数的控制器有更好的控制效果和鲁棒性.【期刊名称】《装备制造技术》【年(卷),期】2016(000)008【总页数】4页(P27-30)【关键词】自平衡小车;控制;仿真【作者】李杨;战艺;周晓明;袁辉【作者单位】广西大学机械工程学院,广西南宁530004;广西大学机械工程学院,广西南宁530004;广西大学电气工程学院,广西南宁530004;深圳爱啃萝卜机器人技术有限公司,广东深圳518000【正文语种】中文【中图分类】TP13两轮自平衡车自身是个开环不稳定系统，具有状态变量多、系统模型非线性、变量间强耦合等特点［1］。

其控制方法主要有常规PID控制、自适应控制、模糊控制等［2］。

本文通过经典控制理论和现代控制理论的知识实现对两轮小车的控制，建立数学模型，确定其系统模型，采用串级PID控制，在MATLAB上仿真编写控制程序，并在实物模型上验证，通过验证，确定基于状态空间表达式的控制器比基于传递函数的控制器具有更好的控制效果和鲁棒性［3］。

两轮自平衡小车的抽象模型如图1所示，小车整体由轮子和车体两部分构成，其中车体由轮轴和摆杆组成。

建立空间坐标系，α为摆杆与z轴夹角，β为轮轴与y 轴夹角，即轮轴的初始位置与y轴重合，左轮指向右轮的方向为y轴的正向。

摆杆倾斜时在地平面上的垂直投影与x轴重合，x轴的正向与摆杆倾斜的方向相同。

轮轴的中点即空间坐标系的原点O，竖直向上为z轴的正方向［4］。

由图1建立自平衡小车的表达式：如图2、3分别为轮子和摆杆的受力分析图。

其中，θr分别为左右轮旋转角度，xo为转轴中点水平位移，zpxl为车身质心的竖直位移，L为摆杆质心到端点的长度，R为轮子半径，D轮轴长度，Hr分别为左、右轮水平作用力，Pr为左、右轮竖直作用力，fr为左、右轮摩擦力，Vr、Vl分别为左右轮电压。