双轮自平衡车的双闭环式PID控制系统设计与实现

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。

4 | T echniques of Automation & Applications两轮自平衡车控制系统的设计与实现周牡丹，康　恺，蔡普郎，黄天健（厦门大学嘉庚学院电子工程系，福建　漳州　３６３１０５）摘 要：根据飞思卡尔智能车竞赛的要求，设计了基于ＭＣ９Ｓ１２ＸＳ１２８单片机的两轮自平衡智能车控制系统。

介绍了该智能车系统的硬件模块电路设计、控制系统的构成及核心控制算法的实现。

在此基础上详细介绍了用于智能车直立控制、速度控制和方向控制的参数调试时简单易行的关键技术。

经过反复多次的实验表明，本文设计的两轮自平衡车控制系统性能可靠，在车身保持直立平衡的同时能够沿着赛道快速平稳运行．关键词：两轮自平衡车；ＰＩＤ控制；ＣＣＤ路径检测；直立控制中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３－７２４１（２０１４）１０－０００４－０５Design and Implementation of Two-WheeledSelf-Balancing Vehicle Control SystemZHOU Mu-dan, KANG Kai, CAI Pu-lang, HUANG Tian-jian( Dept.of Electronic Engineering, TKK College, Xiamen University, Zhangzhou 363105 China )Abstract: For Freescale smart car contest requirements, a two-wheeled self-balancing intelligent vehicle control system based onMC9S12XS128 is designed. This article introduces the design of the hardware module circuit, the structure of control system, and the implementation of the core control algorithm about the vehicle. The key technologies for debugging the upright control, speed control and direction control of the intelligent vehicle are also discussed in the paper. After repeated experiments , it shows that the design of the two-wheeled self-balancing vehicle control system is feasible and reliable. The vehicle can run quickly and smoothly along with the track while maintaining upright balance.Key words: two-wheeled self-balancing vehicle; PID control; CCD path detection; upright control收稿日期：２０１４－０５－２０１ 引言近年来，两轮自平衡电动车以其绿色节能、灵活便捷等优点而得到很大的发展。

本科毕业设计基于PID控制器的两轮自平衡小车设计摘要两轮自平衡小车具有体积小、结构简单、运动灵活的特点，适用于狭小和危险的工作空间，在安防和军事上有广泛的应用前景。

两轮自平衡小车是一种两轮左右平衡布置的，像传统倒立摆一样，本身是一种自然不稳定体，其动力学方程具有多变量、非线性、强耦合、时变、参数不确定性等特性，需要施加强有力的控制手段才能使其保持平衡。

本文在总结和归纳国内外对两轮自平衡小车的研究现状，提出了自己的两轮自平衡小车软硬件设计方案，小车硬件采用陀螺仪和加速度传感器检测车身的重力方向的倾斜角度和车身轮轴方向上的旋转加速度，数据通过控制器处理后，控制电机调整小车状态，使小车保持平衡。

由于陀螺仪存在温漂和积分误差，加速度传感器动态响应较慢，不能有效可靠的反应车身的状态，所以软件使用互补滤波算法将陀螺仪和加速度传感器数据融合，结合陀螺仪的快速的动态响应特性和加速度传感器的长时间稳定特性，得到一个优化的角度近似值。

文中最后通过实验验证了自平衡小车软硬件控制方案的可行性。

关键词：自平衡互补滤波数据融合倒立摆Two-wheeledSelf-balancingRobotMaXuedong(CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China) Abstract:Thetwo-wheeledself-balancingrobotissmallinmechanism,withsimplestructureandcanmakeflexiblemotion,目录华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表1前言研究意义应用意义。

自平衡车巧妙地利用地心引力使其自身保持平衡，并使得重力本身成为运动动能的提供者，载重越大，行驶动能也就越大，具有环保的特点(胡春亮等，2007)。

驾驶者不必担心掌握平衡，车体自身的平衡稳定性，使得原本由于平衡能力障碍而无法骑自行车的人群也同样可以驾驭。

本科毕业设计基于PID控制器的两轮自平衡小车设计摘要两轮自平衡小车具有体积小、结构简单、运动灵活的特点，适用于狭小和危险的工作空间，在安防和军事上有广泛的应用前景。

两轮自平衡小车是一种两轮左右平衡布置的，像传统倒立摆一样，本身是一种自然不稳定体，其动力学方程具有多变量、非线性、强耦合、时变、参数不确定性等特性，需要施加强有力的控制手段才能使其保持平衡。

本文在总结和归纳国内外对两轮自平衡小车的研究现状，提出了自己的两轮自平衡小车软硬件设计方案，小车硬件采用陀螺仪和加速度传感器检测车身的重力方向的倾斜角度和车身轮轴方向上的旋转加速度，数据通过控制器处理后，控制电机调整小车状态，使小车保持平衡。

由于陀螺仪存在温漂和积分误差，加速度传感器动态响应较慢，不能有效可靠的反应车身的状态，所以软件使用互补滤波算法将陀螺仪和加速度传感器数据融合，结合陀螺仪的快速的动态响应特性和加速度传感器的长时间稳定特性，得到一个优化的角度近似值。

文中最后通过实验验证了自平衡小车软硬件控制方案的可行性。

关键词：自平衡互补滤波数据融合倒立摆Two-wheeled Self-balancing RobotMa Xuedong(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China) Abstract:The two-wheeled self-balancing robot is small in mechanism, with simple structure and can make flexible motion, suitable for narrow and dangerous work space. So it has wide range of applications in security and military. The two-wheeled self-balancing robot is a natural unstable system. The device of this system is a parallel arrangement of two single wheels, like a traditional inverted pendulum. Its dynamics are multi-variable, non-linear, serious coupling and uncertain parameters etc. It must be exerted strong control to make it stable.In this paper, studies on two-wheel self-balancing vehicle at home and abroad are summarized. We designed the hardware and software of our two-wheel self-balancing vehicle. The car using rotational accelerometers, gyroscopes and acceleration sensors to detect body condition and the state in which the pitch change rate. The central processing unit calculate the appropriate data and instructions, and control the motor to achieve the body balancing. Because of gyro drift problems and Integral error with accelerometers and slow dynamic response of acceleration sensors. It can’t provide effecti ve or reliable information to reflect the real state of its body. So we using complementary filter to fuse the data of two sensors, so that the inclination of its body can be approximated better.Finally, we verified the feasibility of the system’s hardwar e and software through experiment.Key Words: Self-Balancing complementary filter Data Fusion Inverted Pendui目录1 前言 (1)1.1 研究意义 (1)1.2 国内外研究现状 (1)1.2.1 国外研究成果 (1)1.2.2 国内研究成果 (1)1.3 本文的研究内容 (2)2 两轮平衡车的平衡原理 (2)2.1 平衡车的机械结构 (2)2.2 两轮车倾倒原因的受力分析 (3)2.3 平衡的方法 (3)3 系统方案分析与选择论证 (4)3.1 系统方案设计 (4)3.1.1 主控芯片方案 (4)3.1.2 姿态检测传感器方案 (4)3.1.3 电机选择方案 (5)3.2 系统最终方案 (5)4 主要芯片介绍和系统模块硬件设计 (6)4.1 加速度传感器ADXL345 (6)4.2 陀螺仪传感器L3G4200D (8)4.3 主控电路 (10)4.4 电机驱动电路 (11)4.5 供电电路 (11)5 系统软件设计 (12)5.1 系统初始化 (13)5.2 滤波器 (14)5.2.1 低通滤波器 (15)5.2.2 互补滤波器 (15)5.3 PID控制器 (17)5.3.1 PID概述 (17)5.3.2 数字PID算法 (17)5.3.3 PID控制器设计 (18)6 硬件电路 (19)6.1 硬件制作与调试 (19)6.2 硬件调试结果 (19)6.2.1 姿态感知系统测试结果 (19)6.2.2 PID控制器测试结果 (20)7 结论 (21)参考文献 (23)附录 (1)致谢 (3)华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表1 前言1.1 研究意义应用意义。

双轮自平衡车的双闭环式PID控制系统设计与实现摘要：双轮自平衡车是一种集环境感知、规划决策、自主驾驶等功能为一体的综合性系统。

提出了一种双闭环式PID控制系统实现双轮自平衡车的控制。

针对传统的PID控制算法的缺陷，该系统引入了双闭环式PID改进平衡车的控制算法。

同时对平衡车的硬件系统与软件控制系统进行了设计、实现与分析。

实验表明：所提出的控制系统是有效可行的，提高了平衡车的稳定性和动态响应性。

关键词：双轮自平衡车；PID控制算法；双闭环式PID控制系统传统的PID控制算法在平衡车控制系统中的应用存在很大的缺陷。

在传统的PID控制器中，积分控制环节的引入是为了消除被控量的静态误差，以提高控制精度；在平衡车控制系统中，由于平衡车在启动过程或车体在较差的路况中运行，车体倾角会发生大幅度地变化，平衡车系统在较短的时间内会产生较大的输出偏差。

此时，PlD控制器中的积分控制环节会导致系统产生较大的超调，甚至导致平衡车产生较大的震荡。

除此之外，传统的PID控制器忽略了平衡车中两个电机的性能差异，对两个电机采用同一个PID控制器，容易引起车体产生震荡。

本文提出了一种双闭环式PID控制系统，其避免了PID控制器中的积分环节在平衡车的倾角发生大幅度地变化的情况下引起的超调和震荡，解决平衡车两个电机性能差异对平衡车控制系统的干扰，提高了平衡车控制系统的稳定性。

1平衡车的优势及机械结构1.1平衡车的优势l、转向半径小，小巧灵活，适合在原地频繁转向和狭小空间的场合下使用；2、结构简单，由于可以通过直接控制电机驱动来完成启动、加速、匀速、减速等动作，省略刹车和离合等装置，使得整车结构设计更为简单。

3、绿色环保，可以作为短途代步工具，用于上下班或者出去购物游玩，可以穿梭与人流密集的闹市区，减少城市道路交通行驶车辆，既可以解决交通堵塞问题，又可以减少碳的排放，做到环保出行。

1.2机械结构本文研制的平衡车高57.8cm,宽41.5cm,两轮直径为8cm。

基于PID控制两轮自平衡小车设计目录1.方案设计论证 (3)1.1单片机的选择与论证 (3)1.2显示模块的选择与论证 (3)1.3按键模块的选择与论证 (4)1.5电机模块的选择与论证 (5)2.硬件设计 (5)2.1微控制模块设计与分析.................................................................. 错误！未定义书签。

2.2传感器模块设计与分析.................................................................. 错误！未定义书签。

2.3显示器模块设计与分析.................................................................. 错误！未定义书签。

2.4按键模块设计与分析...................................................................... 错误！未定义书签。

2.5电源模块设计与分析...................................................................... 错误！未定义书签。

3.特色创新 (5)4.总结 (7)参考文献 (8)两轮自平衡小车设计摘要：以Kinetis_K60微处理器单片机作为控制核心，通过PID算法，利用陀螺仪，摄像头、加速度计、编码器和液晶显示器等元件，设计了此两轮自平衡控制小车，实现了小车的自动平衡。

该系统的创新主要体现在可以自动循迹，实时的显示周围环境的温度及小车行驶速度，以便用户可以了解当时的温度和小车的速度。

该系统的主要特点是方便，快捷，环保。

关键词：Kinetis_K60微处理器，PID,陀螺仪，加速度计，液晶显示器Abstract：We use Kinetis_K60 micro processor control with micro controller as thecore,through the PID algorithm, using gyroscopes, cameras, accelerometers, encoders and LCD monitors and other components,designed the two-wheeled self-balancing control car to achieve as elf-balancing car.Innovation is mainly reflected in the system can automatically tracking, real-time display of temperature and speed of the car with the surrounding environment,so that users can under stand the prevailing temperature and the speed of the car.The main features of the system is easy, fast and environmentally friendly.Keyword：Kinetis_K60 micro processor PID algorithm accelerometers就目前市场上的小车来说，结构过于普通，而且大部分是通过四轮同时着地行走的，同时不够智能和人性化，所以我们设计了两轮自平衡控制小车。

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。

近两年来，在公共场合常常能见到一种叫做体感车（或者叫平衡电动车）的代步工具，由于其便捷灵活，使得其颇为流行，并被称为“最后一公里神器”.其运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”的基本原理上，也就是车辆本身的自动平衡能力。

以内置的精密固态陀螺仪来判断车身所处的姿势状态，透过精密且高速的中央计算出适当的指令后，驱动马达来做到平衡的效果。

下文采用AVR Atmega16芯片作为主，设计制作了两轮的自平衡电动车。

文中分析了测量角度和角速度传感器的选择，通过ATMEGA16单片机多路信号AD采集陀螺仪和加速度计的信号，经过Kalman滤波算法计算动态的角度和角速度，通过LCD1602显示角速度和角度的值、转向值。

利用PID控制算法控制自平衡车的平衡状态，使车体在平衡位置稳定。

利用大功率MOS管设计，通过单片机有效地控制电机的转速、电机的转向，从而有效地控制自平衡车的前进、后退及转弯功能。

我们来看看具体的设计细节吧。

1 研究意义随着科学技术水平的不断进步，交通工具正朝着小型、节能、环保的方向发展，“电动车”正是在这个背景下孕育而生并为人们所熟识。

据不完全统计，我国的电动车保有量已超过1.2亿辆，是增长速度最快的交通工具。

随着石油储量的不断减少和人们环保意识的增强，“电动车”无疑将成为未来交通工具的主力军。

就目前而言，电动车的种类主要有电动自行车、电动摩托车和电动汽车。

由于电动机制造水平的提高，尤其是大功率直流无刷电动机制造工艺的成熟，带动了电动自行车和电动摩托车行业的飞速发展。

同时，人们也根据两轮自平衡机器人工作原理，设计出了一些新式电动车--两轮自平衡电动车。

它是一种新型的交通工具，它一改电动自行车和摩托车车轮前后排列方式，而是采用两轮并排固定的方式，这种结构将给人们带来一种全新的驾驭感受。

两轮自平衡电动车仅靠两个轮子支撑车体，采用蓄电池提供动力，由电动机驱动，采用微处理器、姿态感知系统、控制算法及车体机械装置共同协调控制车体的平衡，仅靠人体重心的改变便可以实现车辆的启动、加速、减速、停止等功能。

基于PID控制器的两轮自平衡小车设计一、引言在自动控制领域中，PID控制器是一种常用的控制器。

它通过对系统输出进行反馈，来调节系统的输入，使系统的输出尽可能接近预期值。

本文将基于PID控制器设计一个两轮自平衡小车。

二、系统模型两轮自平衡小车是由两个驱动电机控制的，通过控制电机的转速来实现小车的前进、后退、转向等功能。

小车的整体结构是一个倒立摆，通过控制电机的转速，使其保持垂直状态。

系统的输入是电机转速，输出是小车的倾斜角度。

三、PID控制器PID控制器由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分组成。

这三个部分根据误差来计算控制信号，实现对系统的控制。

1.比例控制部分：比例控制器根据误差的大小来计算控制信号。

误差是指系统输出与期望输出之间的差异。

比例控制器的计算公式为u_p=K_p*e(t)，其中u_p是比例输出，K_p是比例增益，e(t)是误差。

2. 积分控制部分：积分控制器根据误差的累积值来计算控制信号。

积分控制器的计算公式为u_i = K_i * ∫e(t)dt，其中u_i是积分输出，K_i是积分增益，∫e(t)dt是误差的累积值。

3. 微分控制部分：微分控制器根据误差的变化率来计算控制信号。

微分控制器的计算公式为u_d = K_d * de(t)/dt，其中u_d是微分输出，K_d是微分增益，de(t)/dt是误差的变化率。

PID控制器的输出信号为u(t)=u_p+u_i+u_d，其中u(t)是控制信号。

四、设计与实现在设计两轮自平衡小车的PID控制器时，需要根据系统的特性来选择合适的参数。

通常可以通过试验或仿真来获得系统的模型，进而进行参数调节。

1.参数调节：首先，可以将系统的转角作为输入信号，通过试验或仿真来获得小车的倾斜角度与转角的关系。

然后，可以根据比例、积分和微分控制部分的特性，来选择合适的增益参数。

比例增益越大，系统的响应速度越快，但可能会引起震荡；积分增益可以消除静态误差，但可能会引起过冲；微分增益可以减小震荡，但可能会引起超调。

两轮自平衡小车的PID控制【摘要】两轮自平衡小车的核心问题是平衡控制问题和运动控制问题。

两轮自平衡小车需要始终保持车身直立，同时还需要完成各种机动动作，如行进、旋转、左转弯、右转弯等。

PID控制算法是应用最为普遍的一种算法，其特点是构造简单，应用有效及具备了许多成熟的稳定性分析的方法，有很高的可靠性。

针对两轮自平衡小车的非线性和不稳定性，利用非线性PD控制算法和PID差动结构可以实现小车的平衡控制和运动控制。

【关键词】两轮自平衡小车；PID控制；平衡控制；运动控制；控制算法1.引言两轮自平衡小车是一种典型的欠驱动系统（underactuated system）、非完整系统（nonholonomic system）。

其核心问题是对小车的平衡控制和运动控制，其中两轮自平衡小车的姿态平衡控制类似于倒立摆的平衡问题，所不同的是两轮自平衡小车可以在二维甚至三维空间内运动。

两轮自平衡小车不仅需要始终保持车身的直立，还需要在保持直立的同时在二维甚至三维空间内运动。

两轮自平衡小车有4个自由度：2个平面支撑运动自由度，2个姿态角运动自由度。

然而其中只有2个平面支撑运动自由度，即左轮和右轮可以驱动。

对于两轮自平衡小车，姿态平衡控制可以通过改变左轮和右轮的运动速度和运动方向来控制的。

当小车的车身发生倾斜时，左右电机产生相应的力矩来调节左右两轮运动速度和运动方向，使小车恢复平衡直立的状态。

小车的运动轨迹控制则是通过调整行进速度和行进方向来控制的。

两轮自平衡小车的行进速度是左轮线速度和右轮线速度的平均值，也是通过左右电机产生的力矩来调节。

行进方向则需要左轮和右轮的差动来调节，即对左轮和右轮施加不同的作用力矩，以产生不同的运动速度，从而实现两轮自平衡小车航向的控制。

PID控制算法是一种应用广泛、使用简单有效的经典的自动控制算法，两轮自平衡小车的平衡控制和运动控制都可以采用PID控制策略。

在1997年，日本的Hiraoka和Noritsugu研究出一种采用PID算法控制速度和位置的两轮平行小车[1]。

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。

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。

摘 要一种采用双PID串级控制的双轮自平衡车的研制双轮自平衡车因其动力学系统同时具有多变量，非线性，不稳定，强耦合等特性，在研究各种控制方法等方面是较为领先的领域，所以双轮自平衡车的发展引起了人们广泛的关注。

双轮自平衡车可以用倒立摆模型进行分析，因其系统极其不稳定，务必要用强效巧妙的控制方法才能维持其稳定。

系统整体上主要由姿态传感子系统、CPU处理子系统、驱动子系统三部分构建而成，其中获取精确的姿态信息以及将获得数据进行融合和处理的算法决定了自平衡车的优劣。

其原理是自平衡车通过姿态传感器（MPU6050）高频率实时检测运行情况，将所采集的俯仰角和角度及加速度变化率传输给CPU，经由CPU融合处理并输出调整姿态的指令，从而驱动电动机使两个轮的转速发生相应的改变，实现车体平衡以及加速和减速的目的。

本文研制了一种采用双PID串级控制的双轮自平衡车，系统以STM32最小系统为核心板，采用运动处理传感器MPU6050实时检测角速度以及角度，并通过互补滤波的方式进行数据融合，用于减小传感信号温度漂移的影响，同时使自平衡车即使受到很大的外界干扰（如推拉、震动、颠簸等）也能够快速进行调整。

系统通过串级PID（Proportion Integration Differentiation）算法进行车体的控制，通过PD（Proportion Differentiation）控制使得车身能够直立运行，通过安装在直流电机上的测速码盘实时反馈电机转速和方向，并通过PI（Proportion Integration）控制来控制车身的速度。

该双轮自平衡车运用TB6612FNG电机驱动系统，调节PWM输出的占空比来改变电机的转速。

系统通过LM2940以及ASM1117子系统作为电源驱动，准确的转换电压并对STM32和电机供电。

最后对系统进行控制参数的调整和优化，最终实现让双轮自平衡车直立平衡运行的目标。

关键词：双轮平衡车,PID控制,互补滤波,姿态检测ABSTRACTDeveloping of a dual-wheel self-balancing vehicle using double PID cascade controlThe dual-wheeled self-balancing vehicle is a leading field in the research of various control methods because of its dynamic system of multi-variable, nonlinear, unstable and strong coupling, so the development of self-balancing two-wheeled vehicles has attracted widespread attention.The dual-wheel self-balancing vehicle can be analyzed by using inverted pendulum model. The system is extremely unstable, so it is important to use a effective method to maintain its stability. The system is mainly composed of three parts: attitude sensing subsystem, CPU processing subsystem and driving subsystem. The accurate attitude information and the algorithm which gets the data to be fused and processed determine the performance of self-balancing vehicle. The self-balancing vehicle detects operating conditions through the real-time high-frequency sensor (MPU6050), the collected pitch angle and acceleration rate of change is transmitted to the CPU, CPU fusion processing and output adjustment attitude commands, which drive the motor to make two wheels' speed change to achieve the purpose of acceleration, deceleration and balancing the body.In this paper, a dual-wheel self-balancing vehicle using double PID cascade control is developed. Using STM32 as the cord board and motion detection sensor(MPU6050)detects angular velocity and angle in real time. And performing data fusion by complement filter to reduce the influence of the temperature drift of the sensing signal. At the same time, even if the self-balancing vehicle suffers from great external interference (Push and pull, vibration, bump, etc.) can also be quickly adjusted. The system controls the vehicle body through the Proportion Integration Differentiation (PID) algorithm. By the control of PD (Proportion Differentiation), the vehicle body can be erected. The speed and direction of the motor are fed back in real time by the speed encoder installed on the DC motor. And using the control of Proportion Integration(PI) to control the body speed. The TB6612FNG driving system of motor is used in the self-balancing dual-wheel vehicle, and the motor speed is changed by adjusting the PWM output duty cycle. The system is powered by the LM2940 and the ASM1117 subsystem, which can convert voltage accurately, power theSTM32 and the motor. Finally, two-wheeled self-balancing vehicle upright balance operation is achieved by adjusting and optimizing the control parameters.Keywords:a auto-balancing vehicle with two wheels, PID control, Complementary filter, attitude detection目 录摘 要 (I)ABSTRACT (II)第一章 绪论 (1)1.1研究背景及意义 (1)1.2国内外研究现状 (1)1.2.1国外现状 (1)1.2.2国内现状 (5)1.3本文主要内容及章节内容 (6)第二章 平衡车系统原理分析 (7)2.1控制系统任务分析 (7)2.2平衡车数学模型 (8)2.2.1 平衡车的受力分析 (8)2.2.2平衡车的运动微分方程 (11)2.3 串级PID在平衡控制和速度控制中的应用 (12)2.3.1 PID算法简介 (12)2.3.2 PID算法在平衡控制中的应用原理 (14)2.3.3 PID算法在速度控制中的应用原理 (14)2.3.4 串级PID的原理及在系统中的应用 (15)2.4基于互补滤波的数据融合 (16)2.5本章小结 (16)第三章 系统硬件电路设计 (17)3.1 单片机最小系统STM32F103C8T6 (18)3.2系统电源模块 (19)3.3 运动处理传感器模块 (20)3.4电机驱动电路 (21)3.5编码器电路 (23)3.6底板综合设计 (24)3.7系统遥控电路设计 (26)3.7.1 单片机STC89C52 (26)3.7.2 无线收发器模块NRF24L01 (27)3.7.3 液晶显示模块12864 (28)3.8本章总结 (29)第四章 系统软件程序设计 (30)4.1主程序框架与初始化 (30)4.2 数据采集 (32)4.2.1.输入信号采集函数 (32)4.2.2.捕获电机脉冲函数 (32)4.3互补滤波数据融合算法 (33)4.4 串级PID控制 (33)4.4.1直立PD控制 (33)4.4.2速度PI控制 (34)4.5电机PWM输出 (36)4.6程序优化 (37)4.7本章小结 (37)第五章 系统调试 (38)5.1系统开发平台 (38)5.2姿态检测系统调试 (39)5.3控制系统PID参数的整定 (41)5.3.1直立PD控制参数调试 (41)5.3.2速度PI控制参数调试 (41)5.4本章小结 (42)第六章 总结与展望 (43)6.1总结 (43)6.2展望 (43)参考文献 (44)作者简介及攻读硕士期间发表的论文 (46)致 谢 (47)第一章 绪论1.1研究背景及意义近年来，双轮自平衡车的发展势头迅猛主要有以下两个原因，其一是它的实用性很强，可以应用到绝大多数领域，其二是支撑搭建双轮自平衡车的理论体系逐渐完善，技术手段日益先进，如数据获取更简单有效，数据处理更科学精确。

双闭环串级控制算法自平衡两轮车研究摘要：随着智能技术的快速发展，自平衡两轮车作为一种新型个人交通工具，受到了越来越多人的关注。

自平衡两轮车的平衡控制算法是保证其能够自主保持平衡的关键。

本文研究了一种双闭环串级控制算法，通过对车辆倾角和角速度的测量，通过前馈控制和PID控制实现了车辆的平衡控制。

通过实验证明，该控制算法具有较好的控制效果和稳定性。

1.引言自平衡两轮车作为一种新型的个人交通工具，具有体积小、便携、易操作等特点，在城市交通中具有很大的应用潜力。

然而，自平衡两轮车的平衡控制是一个复杂的问题，需要通过精确的控制算法来实现。

2.相关研究目前，关于自平衡两轮车的平衡控制算法研究已经取得了一定的进展。

例如，PID控制、模糊控制、神经网络控制等方法被用于实现车辆的平衡控制。

然而，单一的控制算法往往无法满足复杂的控制需求，因此需要采用更加高级的控制方法。

3.算法设计本文采用双闭环串级控制算法实现自平衡两轮车的平衡控制。

首先，通过传感器测量车辆的倾角和角速度，然后将其输入前馈控制器中进行处理。

前馈控制器根据车辆的倾角和角速度计算出所需的控制量，并将其输入到PID控制器中。

PID控制器根据传感器的测量值和前馈控制器的输出进行运算，最终控制车辆的电机来实现平衡控制。

4.实验结果与分析本文通过实验验证了双闭环串级控制算法的有效性。

实验中，将车辆置于不平衡状态下，并通过控制算法来实现平衡。

实验结果表明，车辆能够在短时间内实现平衡，并且能够有效地抵抗外部干扰。

同时，该控制算法具有较好的控制精度和稳定性。

5.结论本文研究了双闭环串级控制算法在自平衡两轮车中的应用。

通过该控制算法，可以实现车辆的自主平衡控制。

实验结果表明，该算法具有较好的控制效果和稳定性，可以为自平衡两轮车的设计和控制提供参考。

课程设计题目基于PID控制的两轮平衡小车学院XXXXX 专业班级XXXXXX小组成员XXXX 指导教师XXXXX X年 XX 月 XXX小组成员介绍及分工小组成员信息小组成员分工目录机电系统实践与实验设计 (1)一、研究背景与意义 (2)二、平衡原理 (2)2.1 平衡车的机械结构 (2)2.2 自平衡车倾倒原因的受力分析 (3)2.3 平衡的方法 (3)三、两轮平衡小车总体设计 (4)3.1 整体构思 (4)3.2 姿态检测系统 (4)3.3 控制算法 (5)四、matlab建模及仿真 (6)4.1 机械模型建模及仿真（Matlab_simulink） (6)4.2 联合控制器仿真（理想状态PID） (8)五、硬件电路设计 (9)5.1、硬件电路整体框架 (9)5.2、系统运作流程介绍 (10)5.3、硬件电路模块 (10)5.31 电源供电部分 (10)5.32 主控制器部分: (10)5.33 传感器部分; (11)5.34 驱动电路部分 (11)5.35 蓝牙控制模块 (12)5.36 超声波检测模块 (13)5.37 寻迹模块 (13)六、软件控制模块 (14)6.1 系统软件设计结构 (14)6.2 整体初始化过程 (14)6.3 程序设计 (15)6.31 PID-三个参数的调整 (15)6.32 OLED显示信息 (16)6.33 PID-采集信息 (16)6.34 PID-数据计算 (17)6.35 PID-结果输出 (18)6.36 超声波避障 (18)6.37 蓝牙控制 (18)6.38 寻迹实现 (19)七、总结 (19)附录 (21)摘要：两轮自平衡车结合了两轮同轴、独立驱动、悬架结构的自平衡原理，是一种在微处理器控制下始终保持平衡的集智能化与娱乐性于一体的新型代步工具。

整车由底盘、动力装置、控制装置和转向装置组成。

机械结构采用了双轮双马达驱动；控制主要采用的是反馈调节，为了使车体更好的平衡，使用了PID调节方式；硬件上采用陀螺仪GY521 MPU-6050来采集车体的旋转角度以及旋转角加速度，采用加速度传感器来间接测量车体旋转角度，同时，加入超声波检测模块，使小车能够自动完成避障功能；通过在两轮平衡车上加入两个寻迹模块（光电传感器）来识别场地上的黑白线，使得两轮自平衡车能够沿着黑线进行寻迹完成循迹功能。

两轮自平衡机器人控制系统设计与实现一、本文概述随着科技的发展，智能机器人技术正逐渐成为研究和应用的热点。

两轮自平衡机器人作为一种典型的移动机器人，具有结构简单、控制灵活等特点，广泛应用于工业、家庭和服务等多个领域。

本文旨在探讨两轮自平衡机器人的控制系统设计与实现，以期为相关领域的研究提供有益的参考。

本文将对两轮自平衡机器人的系统架构进行详细阐述。

包括机器人的硬件结构、传感器选型以及控制系统的软件框架。

接着，本文将重点分析两轮自平衡机器人的控制策略。

包括基于经典控制理论的PID控制方法，以及更先进的自适应控制、模糊控制等智能控制策略。

本文还将讨论两轮自平衡机器人在实际应用中面临的关键技术挑战，如动态平衡控制、路径规划、障碍物避障等，并提出相应的解决方案。

通过仿真实验和实际测试，验证所设计控制系统的有效性和稳定性。

本文将全面展示两轮自平衡机器人控制系统的设计与实现过程，为两轮自平衡机器人的研究和发展提供理论支持和实践指导。

二、自平衡机器人系统概述传感器系统：传感器系统用于检测机器人的状态，包括倾斜角度、角速度等。

常见的传感器包括加速度计、陀螺仪和编码器等。

这些传感器为控制系统提供了实时反馈，使得机器人能够快速响应外界变化。

控制系统：控制系统是自平衡机器人的核心部分，负责处理传感器采集到的数据，并控制机器人的动作。

控制系统通常采用闭环控制策略，如PID控制、模糊控制等，以实现机器人的稳定平衡。

执行器系统：执行器系统包括机器人的驱动轮和驱动电机。

控制系统根据传感器采集到的数据，通过调整电机的转速和转向，来控制机器人的运动，从而实现平衡。

通信系统：通信系统使得自平衡机器人能够与外部设备进行数据交换，如与计算机或其他机器人进行通信，实现更复杂的功能和应用。

能源系统：能源系统为自平衡机器人提供所需的电能。

通常，自平衡机器人采用充电电池作为电源，以保证机器人的长时间运行。

自平衡机器人在很多领域都有广泛的应用，如娱乐、教育、军事和科研等。

《基于双轮自平衡小车的PID参数验证平台的设计》篇一一、引言随着智能控制技术的快速发展，双轮自平衡小车作为一种典型的动态系统，被广泛应用于智能交通、服务机器人和智能家居等领域。

PID（比例-积分-微分）控制算法作为最常用的控制策略之一，在双轮自平衡小车的控制中起着至关重要的作用。

本文旨在设计一个基于双轮自平衡小车的PID参数验证平台，为优化PID参数提供有效的工具和手段。

二、设计目标本设计的核心目标是构建一个功能完善、操作简便的PID参数验证平台，以实现对双轮自平衡小车PID控制参数的精确验证和优化。

该平台应具备以下特点：1. 高度集成化：整合硬件设备和软件算法，实现一体化设计。

2. 实时性：能够实时监测和调整小车的运行状态，为PID参数的调整提供实时反馈。

3. 便捷性：操作界面友好，便于用户进行参数设置和调整。

4. 通用性：适用于不同型号和规格的双轮自平衡小车。

三、平台架构设计本平台主要由硬件设备和软件算法两部分组成。

（一）硬件设备硬件设备包括双轮自平衡小车、传感器、控制器、电源等。

其中，双轮自平衡小车采用典型的两轮驱动结构，通过电机驱动实现平衡和移动；传感器用于实时监测小车的状态信息，如角度、速度等；控制器负责接收传感器数据，根据PID算法计算出控制指令，驱动电机实现小车的平衡和移动；电源为整个系统提供稳定的电力供应。

（二）软件算法软件算法主要包括PID控制算法、数据采集与处理、用户界面等部分。

PID控制算法是本平台的核心，负责根据小车的状态信息计算出控制指令；数据采集与处理负责实时采集传感器数据，并进行预处理和存储；用户界面提供友好的操作界面，便于用户进行参数设置和调整。

四、PID参数验证流程设计本平台通过以下步骤进行PID参数的验证和优化：1. 初始化：设置初始的PID参数，启动小车和平台。

2. 数据采集：通过传感器实时采集小车的状态信息，如角度、速度等。

3. PID计算：根据采集的数据和设定的PID参数，计算出控制指令。