两轮智能平衡小车研究思路和方法

实习报告：两轮自平衡小车设计与实现一、实习背景及目的随着科技的发展，机器人技术在各领域中的应用越来越广泛。

两轮自平衡小车作为一种具有自平衡能力的新型轮式车，能够在工业生产、安防系统、智能家居、物流网等领域发挥重要作用。

本次实习旨在学习和掌握两轮自平衡小车的设计原理和技术，培养实际动手能力和创新能力。

二、实习内容与过程1. 理论研究在实习开始阶段，我们对两轮自平衡小车的基本原理进行了深入研究。

通过查阅相关资料，了解了两轮自平衡小车的运动学模型、控制算法以及硬件系统设计等方面的知识。

2. 硬件设计根据实习要求，我们设计了两轮自平衡小车的硬件系统。

主要包括STM32单片机、陀螺仪、蓝牙模块、电机驱动模块、电源管理模块等。

在设计过程中，我们充分考虑了系统的稳定性和可靠性，选择了合适的硬件组件，并完成了各模块之间的电路连接。

3. 软件设计在软件设计阶段，我们采用了PID控制算法，实现了直立控制、速度控制和方向控制等功能。

通过编写程序，使得两轮自平衡小车能够在一定时间内自助站立并保持平衡。

同时，利用蓝牙模块实现了手机APP远程控制功能，方便用户对小车进行操作和控制。

4. 系统调试与优化在系统调试阶段，我们通过对小车的实际运行情况进行观察和分析，不断调整PID 参数，优化控制策略，提高了小车的平衡控制精度和稳定性。

同时，针对小车在实际运行中可能遇到的各种问题，我们采取了相应的措施，保证了系统的可靠性和安全性。

三、实习成果与总结通过本次实习，我们成功设计和实现了两轮自平衡小车。

小车具备了自平衡能力，能够在不同地形环境中灵活运动。

同时，通过手机APP远程控制功能，用户可以方便地对小车进行操作和控制。

总结：本次实习让我们深入了解了两轮自平衡小车的设计原理和技术，锻炼了实际动手能力和创新能力。

通过实习，我们掌握了PID控制算法在实际控制系统中的应用，学会了如何优化系统参数，提高了系统的控制精度和稳定性。

同时，我们也认识到在实际设计和实现过程中，需要充分考虑系统的可靠性和安全性，以满足实际应用需求。

自平衡两轮车1. 引言自平衡两轮车是一种自动保持平衡的交通工具，它利用先进的控制算法和陀螺仪传感器来感知倾斜状态并作出相应的调整，从而实现自动平衡。

这种交通工具不仅在个人出行中具有潜力，也广泛应用于物流和运输行业。

本文将介绍自平衡两轮车的原理、构造和应用，并讨论其未来发展的趋势。

2. 原理自平衡两轮车的平衡原理基于倒立摆的动力学控制。

陀螺仪传感器测量车体的倾斜角度，并通过控制算法向电机提供相应的指令，使得车体能够自动调整倾斜角度并保持平衡。

具体来说，当车体向前倾斜时，控制算法会增加后轮的速度，使车体向后倾斜；当车体向后倾斜时，控制算法会增加前轮的速度，使车体向前倾斜。

通过不断调整速度，车体最终能够保持平衡状态。

3. 构造自平衡两轮车通常由以下几部分组成：3.1 车体车体是自平衡两轮车的主要支撑结构，它一般由轻质材料制成，如铝合金或碳纤维，以确保整车的重量轻便但又足够坚固。

3.2 电机自平衡两轮车通常配备一对电机，它们分别安装在前轮和后轮上。

电机通过控制算法接收来自陀螺仪传感器的指令，并根据指令调整车轮的转速，从而实现车体的平衡。

3.3 陀螺仪传感器陀螺仪传感器是自平衡两轮车的核心感知装置，它能够测量车体的倾斜角度，并将测量结果传输给控制算法。

陀螺仪传感器通常采用微机电系统（MEMS）技术构造，具有高精度和低功耗的特点。

3.4 控制算法控制算法是自平衡两轮车的智能核心，它根据陀螺仪传感器的数据进行实时计算，并通过控制电机的速度来调整车体的倾斜角度。

常见的控制算法包括PID控制和模糊控制等。

4. 应用自平衡两轮车在各个领域都有广泛的应用前景，其中一些典型的应用包括：4.1 个人出行自平衡两轮车类似于电动滑板车或自行车，可以用于日常短途出行。

它们具有小体积、轻便易携和零排放等特点，成为城市交通中一种新的个人出行方式。

4.2 物流配送自平衡两轮车可以被用于物流和快递配送行业，尤其适用于城市狭窄道路和人行道。

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。

两轮自平衡小车系统制作研究[摘要] 自平衡小车是学习和研究各种控制方法的理想实验平台。

而系统灵敏度是研究参数不确定性对系统性能影响的理论，对两轮自平衡小车进行灵敏度分析是深入研究必须要做的工作。

[关键字] 两轮自平衡小车，系统制作，灵敏度两轮自平衡小车是一个集环境感知，动态决策与规划，行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统，是动力学理论和自动控制理论与技术相结合的研究课题，其关键是解决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。

利用外加的红外传感器、速度传感器、倾角传感器、防碰撞开关等，来实现小车的自主避障、跟踪、路径规划等复杂功能。

一、两轮自平衡小车的工作原理当未做控制时，不论车身向前倾斜或者向后倾斜，左右轮都处于静止状态，也就是说车身前后摆动与车轮转动是相互独立的。

当开始控制时，车身在竖直站立的状态下释放，小车有静止、前进、后退三种运动的方式，在正确的控制策略下，小车能够保持自身的平衡。

这三种运动方式与控制策略如下所述：（1）静止：如果车身重心位于电机轴心线的正上方，则小车将保持平衡静止状态，不需要做任何控制。

（2）前倾：如果车身重心靠前，车身会向前倾斜，则驱动车轮向前滚动，以保持小车平衡。

（3）后退：如果车身重心靠后，车身会向后倾斜，则驱动车轮向后滚动，以保持小车平衡。

因此，两轮自平衡小车平衡控制的基本思想是：通过测量，得知车身与垂线的之间的相对角度及角速度，控制电机转动的方向以及输出力矩的大小，以此来保持小车自身的动态平衡[1]。

二、两轮自平衡小车系统的模型与分析1.小车的物理模型为了方便两轮自平衡小车系统的建模，将其物理结构简化，小车可绕x轴在yoz平面旋转也可在xoy平面中沿着任意方向平移和旋转。

为简化计算，假设驱动电机转子转轴与两轮圆心的连线完全重合，电机安装于可俯仰运动的小车车体上，但除了驱动电机外，不会对机器人的运动产生其他任何作用。

系统建模时以机器人的俯仰角和机器人的位置p（x，y）为系统输入量，以两个驱动电机的输出力矩为系统输出量，不考虑减速齿轮的配合误差及轴承的摩擦的影响。

两轮自平衡小车的设计设计原理：两轮自平衡小车的设计原理基于倾角控制算法和正反馈控制理论。

当车身发生倾斜时，传感器将感知到倾角，并通过控制算法计算出合适的电机控制信号，使车身产生逆倾的力矩，从而使车身重新回到平衡状态。

当车辆向前倾斜时，电机会产生足够的力矩向前旋转，使小车向前加速，反之亦然。

通过不断监控和调整车体的倾角，小车能够保持平衡，并根据用户的指令进行前进、后退、转弯等动作。

硬件组成：1.IMU：IMU是最核心的传感器之一，通常由陀螺仪和加速度计组成。

陀螺仪用于测量车身的旋转角速度，加速度计则用于测量车身的倾角。

通过对陀螺仪和加速度计测量结果的融合，可以得到较为准确的车身姿态信息。

2.电机驱动器：电机驱动器用于控制电机的转速和方向。

它接收来自控制器的电机控制信号，并根据信号的大小和方向来调整电机的运转。

常见的电机驱动器有H桥驱动和PWM调速电路。

3.电机：两轮自平衡小车通常采用直流电机作为动力源。

电机的规格和功率根据车辆的大小和负载来确定。

一般情况下，电机的转速和扭矩越高，小车的稳定性和运动性能越好。

5.控制器：控制器是小车的主要计算和决策中心。

它接收来自IMU的姿态信息，通过算法计算出电机控制信号，并将信号传递给电机驱动器。

控制器通常采用单片机或微控制器作为基础，并配备相应的传感器接口、通信接口和控制算法。

软件控制：1.姿态控制算法：姿态控制算法通过对IMU传感器测量数据的处理，确定小车的倾角，并根据倾角的变化来计算电机的控制信号。

常见的姿态控制算法有PID控制器和卡尔曼滤波算法等。

2.运动控制算法：运动控制算法用于实现小车的前进、后退、转弯等动作。

它通过根据用户的指令调整电机的转速和方向，使小车按照预定的路径和速度运动。

常见的运动控制算法有速度控制和位置控制等。

3.用户界面：用户界面是与用户交互的界面，用于发送指令和接收反馈信息。

用户可以通过按钮、摇杆等设备来控制小车的运动，并通过显示屏、LED灯等设备来获取小车的工作状态。

【毕业论文】两轮自平衡小车研究本科毕业设计题目两轮自平衡小车研究学院电子信息工程学院专业自动化学生姓名学号202110311332 年级2021级指导教师职称博士年月日两轮自平衡小车研究专业：自动化学号：202110311332摘要：现在两轮自平衡小车的研究在全世界得到很大的关注。

本论文主要工作是对两轮自平衡小车的原理进行研究并且和提出一种设计方案。

本次设计方案是采用ENC-03MB陀螺仪传感器和MMA7361LC三轴加速度倾角传感器构成小车的状态检测装置，使用算法使陀螺仪数据和加速度计数据的融合得到小车的倾角，再通过一定的算法使小车保持直立状态。

系统采用飞思卡尔公司的DSC 16位处理器XS128单片机为核心控制处理器，完成传感器信号的处理，滤波算法的实现和车身控制等一些任务。

在小车制作完成后，各个模块之间能够正常并且协调的工作，小车可以只无人干预的条件下实现自主平衡，运用蓝牙可以控制小车的前进、后退、左右转动等各个动作。

关键词：两轮自平衡小车；陀螺仪；加速度倾角传感器；XS128单片机Research of The Two-wheel Self-balance CarSpecialty：Automation Student Number：202110311332Student：Liu Changgen Supervisor：Luo JunyiAbstract:Now ，the research of two-wheel self-balance car get great attention all over the world.The main job of this paper is to study the principle of the two-wheel self-balance car and put forward a design scheme.This design used ENC-03MB gyroscope sensor and MMA7361LC triaxial acceleration and angle sensor constitute the car status detectioning algorithms made fusion of gyroscope data and accelerometer data to get the tilt angle of the car.Then ,through a certain algorithm to make the car keep upright.The system adopted freescale company DSC 16-bit processor XS128 single-chip microcomputer as the control core,it realized the sensor signal processing the sensor signal processing,filtering algorithm and body control and so on.After the car production is completed,each module can be normal and to coordinate work,the car can keep balancing in unmanned ing mobile phone Bluetooth cancontrol the car forward,backward,turn right or left,and other actions.Key words：Two-wheel Self-balance Car ；Gyroscope；Angle Acceleration Sensor；XS128 Single Chip Microcomputer\* MERGEFORMAT\* MERGEFORMAT I目录TOC \o "1-3" \h \u l _Toc12550 第1章绪论 REF _Toc12550 1l _Toc12946 1.1 背景 REF _Toc12946 1l _Toc14595 1.2 选题的目的和意义 REF _Toc14595 1l _Toc25634 1.3两轮自平衡小车的国内外研究现状 REF _Toc25634 2l _Toc18524 1.3.1 两轮自平衡小车在国外的研究现状 REF _Toc18524 2l _Toc18461 1.3.2 两轮自平衡小车在国内的研究现状 REF _Toc18461 4l _Toc27645 1.4 主要的研究内容 REF _Toc27645 5l _Toc23975 第2章两轮自平衡小车的原理 REF _Toc23975 6l _Toc23737 2.1 两轮自平衡小车直立运动分析 REF _Toc23737 6l _Toc24447 2.2 小车的平衡控制 REF _Toc24447 6l _Toc8874 2.3 小车的角度和角速度测量 REF _Toc8874 8l _Toc21605 2.3.1 加速度传感器 REF _Toc21605 8l _Toc29805 2.3.2 陀螺仪 REF _Toc29805 8l _Toc16346 2.4 小车的速度控制 REF _Toc16346 9l _Toc14709 第3章两轮自平衡小车的电路和程序设计 REF _Toc14709 10 l _Toc23984 3.1 两轮自平衡小车电路设计 REF _Toc23984 10l _Toc4044 3.1.1 小车的整体电路框图 REF _Toc4044 10l _Toc26433 3.1.2 单片机最小系统 REF _Toc26433 11l _Toc30966 3.1.3 陀螺仪和加速度计传感器电路 REF _Toc30966 11l _Toc5965 3.1.4 电机驱动电路 REF _Toc5965 12l _Toc11988 3.1.5 电源模块电路 REF _Toc11988 13l _Toc2506 3.2 两轮自平衡小车程序设计 REF _Toc2506 13l _Toc26809 3.2.1 程序的功能和流程框架 REF _Toc26809 13l _Toc16169 3.2.2 各个模块的程序 REF _Toc16169 15l _Toc23056 第4章两轮自平衡小车的制作和调试 REF _Toc23056 33l _Toc1764 4.1 小车的承载局部制作 REF _Toc1764 33l _Toc16193 4.2 小车传感器的安装 REF _Toc16193 33l _Toc29515 4.3 小车的调试 REF _Toc29515 34l _Toc12987 4.3.1 小车调试条件 REF _Toc12987 34l _Toc18667 4.3.2 小车调试 REF _Toc18667 34l _Toc4940 4.3.3 参数调试 REF _Toc4940 35l _Toc11784 第5章结论 REF _Toc11784 36l _Toc20009 附录 REF _Toc20009 37l _Toc17146 附录1 电路原理图 REF _Toc17146 37附录 l _Toc12889 2电路PCB图 REF _Toc12889 37l _Toc21110 附录3 小车直立图片 REF _Toc21110 38l _Toc24675 参考文献 REF _Toc24675 39l _Toc257 致谢 REF _Toc257 40成都学院学士学位论文〔设计〕\* MERGEFORMAT\* MERGEFORMAT 1第1章绪论1.1 背景近年来，随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，所面临的环境和任务也越来越复杂。

平衡车关键技术研究与设计方法概述平衡车是一种以两个驱动轮为主体的电动车辆，通过动力系统和控制系统的协调工作，能够实现自身平稳行驶，并保持平衡状态。

平衡车在近年来得到了广泛应用，并成为城市短途交通工具的一部分。

本文将重点探讨平衡车的关键技术和设计方法，包括动力系统、控制系统和结构设计等方面。

一、动力系统1. 电机选择与布置平衡车的动力系统主要由电机组成。

在选择电机时，需要考虑功率、扭矩和效率等因素。

一般而言，较大功率的电机可以为平衡车提供更好的动力，但也会导致能耗增加。

扭矩的选择需要根据平衡车的负载情况进行合理匹配。

电机的布置对平衡车的稳定性和操控性有重要影响。

一种常见的布置方式是将两个电机分别安装在驱动轮两侧，这样可以提供更好的动力输出和操控性能。

另一种方式是将电机安装在车辆的中央部位，通过传动装置将动力传至驱动轮。

该方式可以减少车辆重心的变化，使得平衡控制更稳定。

2. 电池选择与管理平衡车的电池是其能量来源，因此电池的选择和管理至关重要。

市场上常见的电池类型有铅酸电池、镍氢电池和锂电池等。

锂电池由于其高能量密度和较低自放电率等特点，成为平衡车的主要选择。

在选择锂电池时，需要考虑容量、电压和充放电性能等因素。

电池管理系统（BMS）能够监测电池的状态、温度和电量等信息，并对充放电过程进行管理和控制，以提高电池的使用寿命和安全性。

BMS的设计需要考虑平衡车的功耗、工作条件和安全要求，同时还应具备通信接口和数据存储等功能。

二、控制系统1. 平衡控制算法平衡车的核心技术之一是平衡控制算法。

平衡控制算法通过传感器获取车辆的倾斜角度，再结合控制器的运算和输出，调节电机的转速和扭矩，从而使平衡车保持平衡状态。

常见的平衡控制算法包括PID控制、神经网络控制和模糊控制等。

PID控制是一种经典的控制方法，通过比例、积分和微分三个参数的调节，实现闭环控制。

神经网络控制借助于人工神经网络的模拟能力和学习能力，可以适应不同的工况和环境变化。

两轮小车自平衡控制系统的研究与设计
随着传统交通工具带来的能源危机、交通拥堵、环境污染等问题日益凸显,人们对新型交通工具的需求日益迫切。

两轮自平衡小车体积小、方便携带,并且采用电池供电不会产生尾气,是现今交通运输领域研究的重点。

同时,两轮自平衡小车是动态稳定的系统,它有着强耦合、非线性、欠驱动、多变量的特点。

因此可以在两轮自平衡小车这个平台上对各种控制算法进行验证,具有一定的理论研究意义。

在两轮自平衡小车领域国内外研究现状的基础上,本文对小车的姿态角检测和自平衡控制进行了研究。

首先,采用牛顿力学原理对小车的车轮、车身和电机分别建立数学模型,并根据三者之间的关系建立小车整体系统的模型。

然后,对小车模型在平衡位置进行线性化,得到简化模型。

对简化的模型进行能观性和能控性分析并采用PID控制理论对小车系统设计平衡控制器。

小车的姿态角包括车身倾角和偏航角,它是小车控制器设计的重要变量,因此姿态角的准确性显得尤为重要。

在本文中使用四元数来描述姿态角,并且对微机电系统(MEMS)采集到的数据利用扩展卡尔曼滤波(EKF)原理进行融合,得到更为准确的姿态角。

最后,对小车各个模块选择相应的芯片,组装小车实体模型。

对两轮自平衡小车的驱动电路、主控电路、检测电路、无线通信电路进行设计,并对各部分编写程序,使小车能够正常工作。

在Matlab中对小车PID控制以及EKF数据融合进行了仿真分析,结果表明小车的PID控制器能够很好的对小车稳定控制,而利用EKF融合使得小车姿态角则更加准确。

在搭建的两轮自平衡小车实物展示中,小车能够保持良好平衡控制效
果。

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。

两轮平衡车研究内容
1.动力系统：研究电池容量、电机功率等参数对平衡车性能的影响，寻求更高效、更稳定的动力系统设计。

2.控制算法：研究平衡车的控制策略和算法，通过改进控制算法提高车辆的稳定性和操控性能。

3.传感器技术：研究平衡车的传感器技术，包括倾角传感器、加速度传感器等，提高平衡车控制精度和稳定性。

4.车身设计：研究车身结构和材料，改进车辆的抗震性和重量分布，提高平衡车的稳定性和舒适性。

5.人机交互设计：研究如何让驾驶员更容易地掌控平衡车，提高人机交互的可靠性和易用性。

6.给车辆增加通信系统，可以实现平衡车之间的通信，或者与智能手机连接，实现更好的用户体验和服务功能。

7.安全性设计：研究平衡车安全性的设计、制造和测试标准以及相关的技术和方法，以保证平衡车的质量和用户安全。

摘要近年来，两轮自平衡机器人的研究取得了快速的发展，两轮自平衡小车的动力学系统是一种多变量、非线性、强耦合的系统，是检验各种控制方法的典型装置。

同时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，必将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。

本文主要介绍了基于Freescale MC9S12XS128单片机为控制核心的两轮自平衡小车系统，以验证经典的PID控制在动态平衡系统上的控制效果。

在该系统上，姿态传感器采用MPU6050，单片机在采集到姿态数据后，采用Kalman滤波器对得到的数据进行融合，并在此基础上分析不同滤波方法的效果。

借助增量式PID控制PWM的输出和利用TB6612FNG控制电机的转向以及转速，从而实现了小车的自平衡控制。

关键词：两轮自平衡系统； Kalman滤波；数据融合； HCS12； MPU6050 .Design and implementation of two-wheeled self-balancing vehicleAbstractIn recently years, the research of two-wheeled self-balancing robot has made a rapid development, the dynamics system of two-wheeled self-balancing vehicle is a multivariable, nonlinear, strong coupling system, and also ，it’s a typical devices to test a variety of control methods. Because of it has a small, flexible movement and zero turning radius. It will have a wide range of applications in military and civilian fields.In the article, it describes the Freescale MC9S12XS128 microcontroller-based control of two-wheeled self-balancing vehicle system to verify the classic PID control system in the dynamic balance . On this system, It used MPU6050 as the car state sensing system, and it used the Kalman filter to fuse the obtained angle data, and analyzed the effect of different filtering methods based on this. With incremental PID control PWM output and use TB6612FNG steering and speed control motors, enabling the car's self-balance control finally.Keywords: two-wheeled self-balancing system; the Kalman filter;HCS12;MPU6050目录摘要 (1)第1章绪论 (4)1.1 两轮自平衡机器人概述 (4)1.2 两轮自平衡机器人的发展 (4)1.3 方案论证及选择 (5)1.4 关键技术及目标 (6)1.4.1 姿态数据处理 (6)1.4.2 控制算法的实现 (7)1.4.3 目标 (7)第2章两轮自平衡小车的原理 (8)2.1 小车的直立控制 (8)2.2 倾角与角速度的测量 (12)2.3 本章小结 (12)第3章电路设计 (13)3.1 整体电路框图 (13)3.2 电源电路 (14)3.3 单片机最小系统 (15)3.3.1 S12单片机简介 (15)3.3.2 MC9S12XS128最小系统电路 (15)3.4 MPU6050 (16)3.4.1 MPU6050简介 (16)3.4.2 I2C通信 (17)3.5 电机驱动电路 (17)3.5.1 驱动芯片介绍 (17)3.5.2 驱动电路设计 (18)3.6 速度传感器电路 (19)3.6.1 光电编码器介绍 (19)3.7 无线遥控电路 (19)3.7.1 Pt2262简介 (19)3.7.2 Pt2262应用 (20)3.8 液晶显示电路 (21)3.8.1 LCD1602简介 (21)3.8.2 LCD1602电路 (21)3.9 车模控制电路全图 (22)3.10 本章小结 (24)第4章系统软件设计 (25)4.1 控制算法介绍 (25)4.2 S12单片机初始化 (26)4.2.1 锁相环初始化 (26)4.2.2 PWM模块初始化 (26)4.2.3 串行通信初始化 (26)4.2.4 外部中断初始化 (27)4.3 PID控制的实现 (27)4.4 姿态数据处理 (27)4.4.1 角度计算函数 (27)4.4.2 滤波方法分析与选择 (27)4.5 小车的运动控制 (31)4.6 无线遥控 (31)4.7 本章小结 (31)第5章系统调试 (33)5.1 软件调试工具 (33)5.2 系统调试工具 (33)5.3 系统硬件电路调试 (33)5.4 姿态检测模块调试 (33)5.5 Kalman滤波器参数的整定 (35)5.6 PID参数的整定 (35)5.7 本章小结 (36)第6章总结 (37)6.1 总结与展望 (37)参考文献 (39)附录 (41)附录一系统主控板 (41)附录二系统核心源码 (42)致谢 (45)第1章绪论两轮自平衡系统最早可追溯到上世纪80年代，日本电气通信大学的山藤一雄教授提出的基于倒立摆原理的自动站立机器人的模型被认为是两轮自平衡小车的构思起源。

两轮同轴自动平衡载人小车的开题报告一、研究背景随着现代城市交通的快速发展，人们日常出行的交通工具需求也不断提高，特别是对于小型的两轮载人车辆需求。

传统的人力自行车已经无法满足现代人的日常出行需要，因此，电动两轮车成为了一个非常受欢迎的选择。

然而，电动两轮车在行驶过程中存在悬挂性能差、转向不稳定、易倾倒等安全隐患，因此需要进行进一步的设计和研究。

本项目旨在设计一种两轮同轴自动平衡载人小车，能够解决传统两轮车存在的安全问题，提高行驶的舒适性和稳定性，满足现代城市出行的多样化需求。

二、研究内容本项目主要研究以下内容：1.两轮同轴自动平衡系统设计：通过传感器探测小车的倾斜角度，使用PID算法对小车进行自动平衡控制，保证小车稳定行驶。

2.小车悬挂系统设计：采用多轮悬挂系统，通过提高小车的行驶平稳性。

3.小车转向控制算法设计：让小车在转向时更加稳定，提高小车的安全性能。

4.小车整体框架的设计：设计出轮架、车架、车体等结构来保证小车的稳定性和可靠性。

三、研究方法1.理论分析法：通过借鉴和推广现有的电动自行车平衡控制技术和自动控制理论，深入探讨小车整体平衡控制的理论基础和控制算法。

2.仿真验证法：使用MATLAB等软件对平衡控制、车轮运动和悬挂系统等关键问题进行仿真分析，验证小车设计的可行性和有效性。

3.实验研究法：通过小车实验室等现代化实验设施，对小车的各项性能进行测试和评估，检验小车的设计是否稳定、可靠。

四、研究意义本项目通过设计出一种新型的两轮自动平衡载人小车，使得小车行驶更加稳定、舒适、安全性更高。

同时，研究的理论和控制算法可以应用到其他类型的智能载人工具中，提高其行驶的安全性和舒适度。

因此，该项目具有重大的社会和经济效益。

五、预期成果通过本项目的研究，预期实现如下成果：1.设计出能够自动平衡的两轮同轴载人小车。

2.提出贯彻可行的悬挂系统设计方案。

3.设计出小车转向控制算法，提高小车的安全性能。

4.将小车整体框架结构设计，确保小车的稳定性和可靠性。

两轮自平衡车的设计研究首先，两轮自平衡车的设计中最重要的组件是姿态感知器和控制系统。

姿态感知器通过加速度计和陀螺仪等传感器来感知车辆的姿态变化，并将数据传递给控制系统。

控制系统根据这些数据来计算出应该施加的力矩，以保持车辆的平衡。

我们需要精确地设计和调整这些组件，以确保车辆能够稳定地保持平衡。

其次，两轮自平衡车的动力系统也至关重要。

目前常用的动力系统是电池供电的电动机。

电动机将电能转化为机械能，驱动车辆前进。

设计动力系统时需要考虑能量效率、稳定性和驱动力的大小。

另外，选择合适的电池类型和容量也是关键，以确保车辆的续航能力。

此外，两轮自平衡车的操控系统也需要设计和研究。

一个简单直观的操控系统可以提高用户体验，并减少操作难度。

常见的操控系统包括使用身体重心移动来控制车辆的前进、后退和转向。

此外，也可以考虑添加智能化的操控功能，如蓝牙连接手机进行远程操控等。

在结构设计方面，两轮自平衡车需要考虑车辆的稳定性和可靠性。

一个好的结构设计能够提高车辆的抗风性和减震性能。

此外，车辆的重心位置也需要合理安排，以减小车辆倾倒的风险。

最后，两轮自平衡车的安全性是设计中不可忽视的因素。

设备应具备紧急停止和防护措施，以防止意外伤害。

例如，可以在车辆上加装限位开关，在发生故障时停止电机的运转。

另外，可以考虑添加LED灯和蜂鸣器等装置，以提高车辆的可见性和警示效果。

总之，两轮自平衡车的设计研究涉及姿态感知器和控制系统、动力系统、操控系统、结构设计和安全性等多个方面。

通过合理设计和研究，可以提高车辆的平衡性、稳定性和安全性，进一步推动两轮自平衡车的发展和广泛应用。

双轮平衡车的动力学分析与控制研究双轮平衡车作为一个新型的交通工具，主要是以平衡原理为基础，通过电动机驱动车轮前进，同时通过倾斜控制实现方向转动。

双轮平衡车的动力学分析与控制研究是一个非常新颖和有趣的研究领域，因为它涉及到了机器人控制、控制原理、传感器、电机控制等诸多学科领域，同时也涉及到了一些高级数学理论，如微积分、矩阵论等。

在本篇文章中，我将对双轮平衡车的动力学分析与控制研究进行探讨，以期能够对该研究领域有更深入的认识。

一、动力学分析动力学分析是双轮平衡车研究的基础，主要包括以下几个方面：1.车轮的转动学分析车轮的转动学分析是双轮平衡车的基础动力学分析之一。

车轮的运动方程一般采用增量式积分法求解，即把离散时间的时间步长变得很小，使得运动方程的积分误差很小。

在车轮的动力学分析中，还有一个重要概念，就是摩擦力。

通常来说，车轮与地面之间的摩擦力是动力学分析的一个重要参数。

掌握车轮的转动学分析，可以为后续的运动学、动力学分析打下良好的基础。

2.车身的运动学分析车身的运动学分析是双轮平衡车的另一个基础动力学分析。

这个分析主要是对车身的姿态、速度、加速度等进行分析和计算。

车身的运动学分析是双轮平衡车设计和控制的基础。

只有深入研究车身的运动学分析，才能更好地控制车身的摆动和平稳行驶。

3.倾斜控制系统的建立倾斜控制是双轮平衡车最核心的控制系统，其目的是通过倾斜车身来实现车辆的方向控制。

倾斜控制系统的建立主要涉及到感应器、传感器、控制器等很多方面。

其中，加速度传感器和陀螺仪是倾斜控制系统两个非常重要的传感器。

加速度传感器通过检测车身的倾斜角度，反馈给控制器，在控制器控制车辆的转向行驶。

陀螺仪则通过检测车辆的角速度，来判断车辆的方向和速度，提供重要的反馈信号给控制器。

二、控制系统设计倾斜控制系统的建立是双轮平衡车的核心，其目的是通过倾斜车身来实现车辆的方向控制。

倾斜控制系统的建立主要涉及到感应器、传感器、控制器等很多方面。

平衡小车前言两轮自平衡小车是集成机械、电子、通信、自动化、嵌入式等技术于一体的小型智能机器人，涉及到传感器的驱动，数据的处理，角度的计算，电机的控制等，内容比较丰富。

原理篇一．任务分解假设维持车模直立、运行的动力都来自于车模的两个车轮。

车轮转动由两个直流电机驱动。

因此从控制角度来看，车模作为一个控制对象，它的控制输入量是两个电极的转动速度。

车模运动控制任务可以分解成以下三个基本控制任务：（1）控制车模平衡：通过控制两个电机正反向运动保持车模直立平衡状态；（2）控制车模速度：通过调节车模的倾角来实现车模速度控制，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）控制车模方向：通过控制两个电机之间的转动差速实现车模转向控制。

车模直立和方向控制任务都是直接通过控制车模两个后轮驱动电机完成的。

假设车模电机可以虚拟地拆解成两个不同功能的驱动电机，它们同轴相连，分别控制车模的直立平衡、左右方向。

在实际控制中，是将控制车模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。

车模的速度是通过调节车模倾角来完成的。

车模不同的倾角会引起车模的加减速，从而达到对于速度的控制。

三个分解后的任务各自独立进行控制。

由于最终都是对同一个控制对象（车模的电机）进行控制，所以它们之间存在着耦合。

为了方便分析，在分析其中之一时假设其它控制对象都已经达到稳定。

比如在速度控制时，需要车模已经能够保持直立控制；在方向控制的时候，需要车模能够保持平衡和速度恒定；同样，在车模平衡控制时，也需要速度和方向控制也已经达到平稳。

这三个任务中保持车模平衡是关键。

由于车模同时受到三种控制的影响，从车模平衡控制的角度来看，其它两个控制就成为它的干扰。

因此对车模速度、方向的控制应该保持平滑，以减少对于平衡控制的干扰。

以速度调节为例，需要通过改变车模平衡控制中车模倾角设定值，从而改变车模实际倾斜角度。

为了避免影响车模平衡控制，这个车模倾角的改变需要非常缓慢的进行。