双轮自平衡小车机器人系统设计与制作

摘要双轮自平衡车是一个高度不稳定两轮机器人，是一种多变量、非线性、绝对不稳定的系统，需要在完成平衡控制的同时实现直立行走等任务因其既有理论意义又有实用价值，双轮自平衡小车的研究在最近十年引起了大量机器人技术实验室的广泛关注。

本文主要介绍了双轮平衡车的控制系统硬件设计方案。

此方案采用ATmega328 作为核心控制器，在此基础上增加了各种接口电路板组成整个硬件系统，包括单片机最小系统，姿态检测模块，直流驱动电机控制模块，电源管理模块，测速编码模块，串口调试等模块。

对于姿态检测系统而言，单独使用陀螺仪或者加速度计，都不能提供有效而可靠的信息来保证车体的平衡。

所以采用一种简易互补滤波方法来融合陀螺仪和加速度计的输出信号，补偿陀螺仪的漂移误差和加速度计的动态误差，得到一个更优的倾角近似值。

本文先阐述了系统方案原理，再分别就各模块工作原理进行详细的介绍与分析，最终完成车模的制作和电路原理图以及1PCB 板的绘制。

最后根据调试情况对整个系统做了修改，基本达到设计要求。

关键词双轮自平衡车模块设计传感器AbstractTwo-wheeled self-balanced car is a highly unstable robots, it is a system with Multivariable, nonlinear and absolute instability, it needs to complete the balance control tasks such as walking upright because of both theoretical significance and practical value. Two-wheeled self-balanced car in the last decade has aroused widespread concern in the robotics laboratory.This paper describes the control system hardware design of the wheel balanced car.This program uses ATmega328 as the core controller,base on this increase of various interface circuit board to building the hardware system. Peripheral circuits including the smallest single-chip system, the gesture detection module, the DC drive motor control module, power management module, velocity encoding module and serial debugging module. For the posture monitoring system，the information solely depends on the gyroscope or the accelerometer couldn’t make sure the balance of vehide．So the signals from the gyroscope and accelerometer were integrated by a simple method of complementary filtering for an optimal angle to compensate the gyroscope drift error and the accelerometer dynamic error.This article first describes the principle of the system program，then described in detail each module how to working out, the final completion of car models produced and circuit schematics and the PCB drawing.In the end, according to debug the situation on the whole system changes, the hardware system basically reached the design requirements.Keywords two-wheeled self-balanced car modular design sensor目录前言 (1)第1章绪论 (2)1.1 设计的依据与意义 (2)1.2 国内外同类设计的概况综述 (3)1.3 设计要求与内容 (3)第2章总体硬件方案设计 (5)2.1 总体分析 (5)2.2 总体方案设计 (5)2.3 方案框图 (7)第3章单元模块设计 (8)3.1 姿态检测模块 (8)3.2 单片机控制单元模块电路 (14)3.3 电机驱动模块 (19)3.4 串行通信模块 (21)3.5 电源管理模块 (24)结论 (26)参考文献 (27)致谢 (28)附录 (29)前言自平衡车自动平衡运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”（DynamicStabilization）的基本原理上，也就是车辆本身的自动平衡能力。

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。

两轮自平衡车控制系统的设计与实现一、自平衡车系统概述1、定义自平衡车是一种以双轮直立结构/双轮平移结构的小型无线遥控电动车，最初由电动车作为主要的运动机构，但也有可能有其他特殊机构，进行实时控制，使其能够在平衡和模式控制下，保持水平稳定态，实现自动平衡、自主康复和自由行走。

2、系统功能自平衡车系统的功能是通过实时控制平衡并实现模式控制，使自平衡车实现自动平衡、自主康复和自由行走，从而达到智能化的操作目的，解决双轮自行车无主动平衡功能的问题。

二、系统设计1、硬件系统自平衡车的硬件系统由电池、ESC（电子转向控制器）、遥控组件、周边传感器组件、电路板组件等构成。

2、软件系统自平衡车的控制系统主要由ARMCortex-M0 MCU、单片机程序、PID算法组成。

三、系统实现1、硬件系统实施（1）第一步，在自平衡车上安装ESC，ESC的电池由智能充电器连接，使自平衡车进行自动充电；（2）第二步，给控制器方向键插上遥控器，使用户可以控制车辆移动；（3）第三步，在车辆上安装多个传感器，在控制板上增加芯片，使用户可以对车辆进行实时监测；（4）第四步，在控制板上安装一个ARM Cortex-M0 MCU处理器，将控制算法由单片机程序烧录形成可控制的处理系统。

2、软件系统实施（1）随着ARM处理器的安装，自平衡车可以被SONI的特殊的烧录器进行烧录，该程序可以控制车辆的转向和速度；（2）安装完毕后，需要建立多个变量从传感器接受数据，读取车辆的平衡状态，并控制车辆前后左右的运动；（3）最后，我们选择PID算法来实现车辆实时的控制，根据车辆当前的实际情况，调节PID距离和速度增量使自平衡车实现实时的模式控制。

四、结论本文介绍了自平衡车控制系统的设计思想和实现步骤，通过控制平衡，实现自动平衡、自主康复和自由行走，使得自平衡车有更多的功能，在以后的应用中，自平衡车的研究和应用实际会有很大的推动作用。

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。

2012届毕业生毕业设计说明书题目: 双轮直立智能机器人平衡系统设计目次1 概述 (3)1.1 轮式智能机器人的研究背景及意义 (3)1.2 国内外研究现状 (3)1.3课题研究内容 (4)2总体设计方案 (4)2.1双轮智能平衡机器人的工作原理 (5)2.2机器人平衡控制系统方案分析 (6)3微控制器和检测电路设计 (7)3.1 S08微控制器 (7)3.2角度和角速度检测模块 (8)3.3速度传感器 (11)4驱动电路及电源模块设计 (12)4.1微型直流电机 (12)4.2电机驱动模块 (12)4.3电源模块设计 (13)5软件设计 (14)5.1 S08AW60微控制器资源配置 (14)5.2 PID控制原理 (16)5.3 程序设计 (17)总结 (21)1 概述1.1 轮式智能机器人的研究背景及意义随着科学技术的迅速发展，人类进入了数字化、智能化时代，计算机科学和控制理论的发展为人类制造高度智能的仿真机器人提供了可能。

专家预言，二十一世纪将是机器人的时代。

从上个世纪八十年代开始，机器人技术逐渐形成了一个比较系统的科学体系，它将力学、机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制理论和算法等学科融为一体，不断吸收其它相关学科的最新研究成果，形成了一门独立的高科技学科。

移动机器人是现代机器人中的一个重要的分支，它能够根据指定的命令，自主运动到特定位置，具备对工作环境的感知和自我适应、运动的实时决策以及自身的行为控制等功能，它具有很高的军事、商业价值[1]。

近年来，移动机器人已经得到广泛的应用，几乎渗透到各个行业，所实现的功能也是越来越复杂，例如应用于核电站、军事应用、宇宙探索、防灾救灾、危险品运输、地形勘探、海洋开发等。

轮式移动机器人作为移动机器人的一个重要分支。

轮式移动机器人比较适合在狭窄和大转角场合工作，因此轮式移动机器人的实用价值和理论价值都非常高[2]。

1.2 国内外研究现状在二十世纪八十年代末，日本东京电信大学自动化系的山藤一雄教授最早提出了双轮直立自平衡机器人的设计思想，并于1996年在日本通过了专利申请。

电子技术• Electronic Technology68 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering【关键词】两轮自平衡机器人 控制系统 设计两轮自平衡机器人的控制系统是实现两轮自平衡机器人的移动过程中保持平衡的关键系统，也是两轮自平衡机器人实现功能拓展与增加的基础与前提。

1 两轮自平衡机器人概述两轮自平衡机器人控制系统设计与实现文/刘静 肖家宝 王晓 钱雯两轮自平衡机器人是移动式机器人的一个重要分支，在近些年来实现了快速的发展突破，由于其在控制性、生产经济性、功能拓展性等方面都较其他的轮式机器人有较为明显的优势，因而一度成为轮式机器人控制研究领域的热点研究论题。

两轮式自平衡机器人的物理结构由两个车轮与机器人机身组成，车轮一般是由直流轮式电机与加装的功能及控制部件组成，机身多为连接两个车轮的长方体结构，机身下板固定安装机器人的控制系统及电池等电路设备，上板一般可以安装一些拓展性的功能模块，在机器人的行走移动功能的基础上再进行一定的功能拓展，使其具有更加丰富的功能，以拓展两轮自平衡机器人的适用范围与实用性。

两轮自平衡机器人的双轮结构决定了其的不稳定平衡性，在静止状态下将自平衡机器人放置在水平的地面上，机器人机身将向前或向后倾倒，无法实现机身平面的平衡，因此必须要通过机器人的平衡控制系统对两个车轮进行协调控制，以实现机器人机身的平衡。

2 自平衡机器人的平衡控制机理两轮自平衡机器人的机身平衡控制系统多为以单片机为计算系统的集成电路控制系统，通过安装在车轮位置的姿态传感器测量机身的倾斜角度，然后通过控制电路内核的单片机使用相应的算法对控制车轮转动的伺服电机输出相应的控制信号，进而使轮式电机产生与之对应的扭矩，从而实现机身的平衡。

自平衡机器人在控制系统不工作的状态下无法实现机身的平衡，因此机身会向前或向后倾倒，根据倾倒的方向与倾倒角度的大小判断机身的位置状态。

两轮自平衡小车系统引言两轮自平衡小车系统是一种具有自主平衡能力的车辆，因其小巧、灵活和节能等优点而备受。

这种小车系统在许多领域都具有广泛的应用前景，如交通运输、救援、工业自动化和娱乐等。

本文将详细介绍两轮自平衡小车系统的设计方法，包括车身结构设计、电路设计和控制系统软件设计等，并对所需的硬件设备和操作方法进行阐述。

定义和概念两轮自平衡小车系统主要由一个或两个电动马达、两个轮子、一个控制器和一个电池组等组成。

其中，平衡点是指小车系统的重心所在的位置，而倾角则是指小车系统与水平面之间的夹角。

通过调节平衡点和倾角，可以使小车系统达到自主平衡状态。

系统设计1、车身结构设计两轮自平衡小车的车身结构是设计的核心之一，它直接影响到小车的稳定性和灵活性。

车身结构应尽量采用轻量化材料，如铝合金或高强度塑料，以减小车身重量和增加灵活性。

此外，车身结构还需考虑轮距、轴距、马达位置等因素，以实现最佳的平衡效果。

2、电路设计电路设计是两轮自平衡小车系统的重要组成部分，主要包括电池组、电机控制器和传感器接口等。

电池组应选择能量密度高、充电速度快且轻量化的电池，以保证小车的续航能力和灵活性。

电机控制器应选用具有PWM控制功能的控制器，以便于调节电机的转速和方向。

同时，还需为传感器接口设计合适的电路，以实现信号的稳定传输。

3、控制系统软件设计控制系统软件设计是实现两轮自平衡小车自主控制的关键。

控制系统软件应包括姿态感知、控制算法和运动规划等模块。

姿态感知模块负责读取传感器数据，如陀螺仪和加速度计，以获取小车的姿态信息。

控制算法模块基于姿态信息计算控制信号，如PID控制器、模糊逻辑控制器等，以实现小车的自主平衡控制。

运动规划模块应根据控制信号计算小车的运动轨迹，以保证小车的平稳行驶。

硬件设备1、传感器两轮自平衡小车需要使用多种传感器，如陀螺仪和加速度计，以实时感知小车的姿态信息。

陀螺仪可以测量小车的角速度，加速度计可以测量小车的加速度，两者结合可以准确计算出小车的姿态角度。

两轮自平衡机器人设计详述近年来，随着移动机器人研究不断深入、其应用领域更加广泛，面临的环境和任务也越来越复杂。

有时机器人会遇到比较狭窄，而且有许多大转角的工作场合，如何在这样的环境里灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。

两轮自平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的，这种机器人两轮共轴、独立驱动，车身重心倒置于车轮轴上方，通过运动保持平衡，可直立行走。

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。

以前对于两轮自平衡机器人的运动控制的研究，理论上取得了许多开创性的进展，但这样的算法依赖于精确的模型和完整的信息,大多停留在理论研究和仿真的阶段实际，应用中并不多见。

大部分实际应用的移动机器人左右轮的运动控制都是基于双闭环的电机控制，直接将电压作为控制量，利用模拟电子电路进行控制[1]。

这样控制策略存在着精度低、可靠度差、效率低等缺点。

本文针对两轮自平衡机器人在实际应用中存在的问题，应用最优控制及两轮差动等控制方法设计了控制器，提出了针对两轮自平衡机器人平衡和行进的新策略。

为了提高两轮自平衡机器人的控制效果，利用基于DSP数字电路的全数字智能伺服驱动单元IPM100分别精确控制左右轮电机，并利用上位机实时控制机器人的运动状态，提高了控制精度、可靠度以及集成度，最终得到了很好的控制效果。

2 两轮自平衡机器人的动力学模型两轮自平衡机器人的结构主要由车身和双轮构成，机器人两轮参数(质量、转动惯量、半径)相同、共轴、独立驱动，车身重心倒置于车轮轴上方，通过运动保持平衡，可直立行走。

车轮不但受电机的输出转矩、地面支持力、摩擦力的影响，同时还通过电机轴受到机器人车身作用力[2][3]。

机械结构如图1所示：图 1两轮自平衡机器人机械结构图分别以车轮、车身为研究对象，分别列出车轮、车身方程，左右两轮具有对称性，左轮方程为：（1）m ——车轮质量(kg)；J ——电机转子及车轮等效在电机轴上的转动惯量( )；r ——车轮半径(m)；w L——左轮转速(rad/s)；T mL——左轮电机电磁转矩( )H L——左轮承受的车身水平作用力(N)；由车身得到方程：（2）n v、a v——分别为质心水平、竖直位移；V 、H ——分别为车轮从水平、竖直方向施加给车身的力(N)；l——质心距车轮轴距离；——车身竖直倾角；m p——车身重量；两轮自平衡机器人平衡后，可假设车身倾角在±5范围内。