两轮自平衡机器人自主移动系统设计和应用

两轮移动机器人平衡控制系统的研发的开题报告摘要：本文介绍了一种基于单片机嵌入式系统的两轮移动机器人平衡控制系统的设计和研发。

首先，分析了该系统的物理模型，并根据模型建立了控制模型。

其次，分别设计了控制器的硬件和软件实现，并且详细阐述了控制器的各个模块之间的交互过程。

最后，利用PID控制算法进行了仿真实验，并得到了良好的控制效果。

关键词：移动机器人、平衡控制、单片机、PID控制一、研究背景和意义随着科学技术的不断发展，移动机器人的应用越来越广泛。

移动机器人通常具有高机动性、灵活性和智能化等特点。

但是移动机器人的控制较为复杂，其中平衡控制是机器人运动控制中的关键问题之一。

因此，研究移动机器人平衡控制技术具有重要的理论和实际意义。

针对上述问题，本文研发了一种基于单片机嵌入式系统的两轮移动机器人平衡控制系统。

该系统具有优良的控制性能和实用性，可以为移动机器人的运动控制和应用提供技术支持和借鉴。

二、系统设计原理1. 系统物理模型分析该系统由两个直径相同的轮和一个控制一个转子构成（如图1所示）。

设机器人的角速度为ω，前轮中心到机器人中心的距离为l，转子的电流为u，转子的自旋角速度为ν，则系统的运动学模型可以描述为：ω=(vr-vl)/2lυ=(vr+vl)/2其中，vr和vl分别为右轮和左轮的线速度。

此外，根据机器人的运动学模型，可以得到机器人的控制模型：Mω+Kυ=μu其中，M为机器人的惯性矩，K为机器人的阻尼系数，μ为电机的转矩系数。

2. 系统控制器设计（1）硬件设计该系统的硬件控制器由传感器、执行器和单片机组成。

其中，传感器包括两个陀螺仪和一个加速度计，用于测量机器人的倾角和加速度；执行器为直流电机，用于控制机器人的运动。

单片机采用STM32F103C8T6型号，具有高性能、低功耗、强的存储和处理能力，可以满足该系统的控制要求。

（2）软件设计该系统的软件控制器采用C语言编写，分为两层：底层驱动程序和上层控制程序。

Design and Implementation of Two-wheeled Self-balancing Inspection RobotShan Jiming西北师范大学工程硕士学位论文摘要两轮自平衡机器人隶属于轮式机器人的范畴，具有结构简单、运动灵便、体积较小等特点。

它能够适应各类工作环境，在工业和军事等方面的应用前景非常广阔。

作为一种典型的不稳定控制系统，它可以在控制策略上为大型的两轮自平衡机器人实验提供模型。

因此，自平衡机器人相关问题已经成为机器人研究的热点之一，在理论和实用性等方面都具有重要意义。

本文根据倒立摆原理搭建了两轮自平衡巡检机器人，并对其数学模型和平衡控制策略进行研究。

该系统硬件主要包括单片机系统、电源模块、电机驱动模块、姿态传感器模块、数据采集模块、视频采集模块及WiFi传输模块等。

整个系统具有较强的稳定性和可靠性，并且能够通过上位机进行实时控制和采集视频及环境数据。

在对控制策略的研究中，应用了PID控制，并利用Kalman滤波对倾角数据进行优化。

在运行调试时，首先进行仿真实验，然后对机器人进行实际调试。

实验结果证明，自平衡机器人的物理系统、数学模型以及相应的控制策略具有合理性、有效性和可行性。

经调试验证，视频信号、环境数据及控制指令能够通过WiFi传输模块实时传输。

两轮自平衡机器人能够实现远程操控和巡检检测的功能。

关键词：两轮自平衡机器人；PID控制；Kalman滤波；巡检机器人；WiFi两轮自平衡巡检机器人的设计与实现AbstractTwo-wheeled self-balancing robot belongs to the category of wheeled robots. This kind of robot is small and flexible. It can adapt to different kinds of working environment. So the robot has wide prospects in the field of both industry and military. Self-balancing robot is a typical unstable control system, and the control strategy of this system can be applied to some large two-wheeled self-balancing robot system. Topics about self-balancing robot becomes a hot issue that of great significance in both theoretical and practical aspects.In this thesis, a two-wheeled self-balancing inspection robot is designed based on the inverted pendulum model. Meanwhile, the mathematical model and control strategy are analyzed. This system consists of SCM system, power supply module, motor drive module, posture sensor module, data acquisition module，video capture module and WiFi module. This system is of high stability and reliability, and it can capture video and other kinds of signals. It also can be controlled remotely through the host computer.PID control is applied to the system and Kalman filter is used to optimize the angle data in this paper. Simulation experiments are done before debugging. Experimental result shows that the physical system, mathematical model and appropriate control strategies are rational, effective and feasible. After debugging, video signal, environmental data and control instructions can be transmitted via WiFi. The robot can collect environmental data and can be controlled remotely.Key Words: Two-wheeled Self-balancing Robot; PID Control; Kalman Filter; Inspection Robot; WiFi西北师范大学工程硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (III)第1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 国外研究现状 (1)1.2.2 国内研究现状 (3)1.3 国内外现状分析 (4)1.4 本文主要研究内容 (5)1.5 本章小结 (5)第2章自平衡机器人数学模型及控制算法分析 (6)2.1 数学模型分析 (6)2.1.1 单摆模型分析 (6)2.1.2 移动倒立摆分析 (7)2.1.3 两轮机器人数学建模 (7)2.2 PID控制算法 (8)2.2.1 PID控制算法介绍 (8)2.2.2 增量式PID控制 (10)2.2.3 PID控制器参数整定 (10)2.3 Kalman滤波控制算法研究 (11)2.3.1 Kalman滤波器介绍 (11)2.3.2 陀螺仪和加速度计信号融合 (12)2.3.3 基于Kalman陀螺仪和加速度计信号融合 (13)2.4 本章小结 (14)第3章两轮自平衡机器人硬件设计 (15)3.1 机械设计 (15)3.2 硬件介绍 (16)3.3 单片机最小系统 (16)3.4 电源模块 (18)两轮自平衡巡检机器人的设计与实现3.5 电机及驱动模块 (19)3.5.1 直流电机介绍 (19)3.5.2 驱动电路设计 (20)3.6 姿态传感器模块 (20)3.6.1 加速度计 (21)3.6.2 陀螺仪 (22)3.7 数据采集模块 (22)3.7.1 温湿度及气体检测模块 (22)3.7.2 摄像头模块 (23)3.8 WiFi传输模块 (24)3.9 本章小结 (25)第4章两轮自平衡机器人软件设计 (26)4.1 软件设计 (26)4.1.1 软件主要功能 (26)4.1.2 软件设计框图 (26)4.2 初始化程序设计 (27)4.3 Kalman滤波算法 (30)4.4 直立控制算法 (30)4.5 速度控制算法 (31)4.6 方向控制算法 (32)4.7 上位机程序设计 (33)4.7.1 上位机程序主要功能 (33)4.7.2 上位机界面 (34)4.8 本章小结 (34)第5章系统仿真与调试 (35)5.1 开发环境介绍 (35)5.2 系统调试与参数整定 (36)5.2.1 调试准备 (36)5.2.2 静态参数调整 (36)5.2.3 动态参数调整 (36)5.3 Kalman滤波仿真与调试 (37)5.3.1 Kalman滤波仿真 (37)5.3.2 Kalman滤波调试 (38)5.4 本章小结 (41)第6章总结与展望 (42)参考文献 (43)附录A 两轮自平衡巡检机器人实物图 (45)攻读学位期间的研究成果 (I)致谢 (II)第1章绪论1.1研究背景及意义机器人技术同网络技术、通信技术、基因技术、虚拟现实技术等一样，属于高新技术[1]。

两轮自平衡机器人系统设计的开题报告一、选题背景和意义随着人们生活水平的提升和科技发展的不断推进，人们对于出行工具的需求也越来越高。

在城市中，出租车、地铁、公交和步行等方式已经无法满足人们的需求。

近年来，两轮自平衡机器人开始逐渐引起人们的关注，其速度快、灵活多变，可控性好，适用范围广，受到了越来越多人的青睐。

并且，在纯电动出行的趋势下，两轮自平衡机器人也成为了出行工具市场的主流之一。

本文将针对两轮自平衡机器人的设计，开展相关研究，从而提高其技术水平和实用性，为广大用户提供更好的出行工具选择。

二、研究内容和技术方案1.目标功能本研究的主要目标是设计并实现一款性能稳定、指令响应迅速的两轮自平衡机器人系统，以满足用户的需求。

2. 硬件设备为了实现两轮自平衡机器人系统的目标，需要精心挑选硬件设备。

本文使用的硬件设备如下：（1）电机：使用高品质的无刷直流电机，提高其转动效率和能量利用效率。

（2）传感器：系统内部集成一系列的传感器，包括陀螺仪、加速度计、地磁仪等传感器，这些传感器能够对机器人状态进行实时监测，从而保证机器人的稳定性。

（3）控制芯片：控制芯片是机器人系统的核心部件，采用高效率、高稳定性、高性能的控制芯片可以更有效地实现系统控制。

（4）电池：使用优质电池，可以大大延长机器人的使用时间和续航里程。

3. 系统设计两轮自平衡机器人的系统设计主要包括机器人控制系统、机械结构设计和电源管理系统等。

（1）机器人控制系统：机器人的控制系统需要实时监测机器人状态，并根据实时数据进行调整。

控制系统具有高精度、快速响应、可靠稳定等特点。

对于控制系统，可以采用PID控制算法，该算法比较成熟，能够有效地控制机器人。

在系统设计过程中，还需要进行参数优化和控制算法调整，以提高机器人的控制性能。

（2）机械结构设计：机械结构设计主要包括重心设计、扭矩和转动力矩分析等内容。

机械结构设计需要具有坚固耐用、稳定性好、抗震性能强等特点，同时还需要考虑机器人的人性化设计，更好地服务于用户。

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。

智能双轮平衡车的设计原理
智能双轮平衡车是一种能够自主平衡并移动的机器人。

其设计原理基于以下几个方面：
1. 姿态控制原理：智能双轮平衡车通过检测车身的姿态来进行平衡控制。

通常使用陀螺仪或加速度计等传感器来检测车身倾斜的角度，然后使用控制算法来调整电机转速，使得车身保持平衡。

2. 转向控制原理：智能双轮平衡车通过控制两个电机的转速差来实现转向。

当需要车身左转时，右边的电机转速减小，左边的电机转速增加，从而使车身向左转动。

反之，当需要车身右转时，左边的电机转速减小，右边的电机转速增加。

3. 速度控制原理：智能双轮平衡车通过控制两个电机的转速来调节车辆的速度。

通常使用电机控制器或闭环控制算法来根据用户输入的速度指令，控制电机的转速。

4. 充电与电池管理原理：智能双轮平衡车通常使用锂电池作为电源，需要有充电电路和管理系统来管理电池的充电和放电过程。

充电电路通常与电源适配器相连，可以通过检测电池电量来自动充电。

同时，电池管理系统还需要监测电池的电压和温度等参数，以确保使用安全。

5. 用户交互原理：智能双轮平衡车通常会配备有界面或传感器，供用户与车辆
进行交互。

这些界面可以是按钮、触摸屏、语音控制等，用户可以通过这些界面给车辆发送指令，比如控制车辆前进、后退、转向等。

综上所述，智能双轮平衡车的设计原理主要涉及姿态控制、转向控制、速度控制、充电与电池管理以及用户交互等方面，通过使用传感器、控制算法和相应的硬件设备，实现车辆的平衡和移动。

轮式移动机器人动力学控制研究及应用近年来，随着技术的不断发展和人工智能的不断壮大，机器人技术领域吸引了越来越多的关注和研究。

轮式移动机器人是一种常见的机器人类型，因其机动性强、灵活性高等特点，被广泛应用于工业制造、军事、医疗等领域。

其中，动力学控制是轮式移动机器人研究的重要方向之一。

轮式移动机器人作为一种双轮自平衡运动系统，其动力学控制研究重点在于掌握机器人的运动状态，并在此基础上进行精准的控制。

一方面，机器人需要通过运动状态分析确定自身位置、速度和方向等信息，以保证对环境的认知行为。

另一方面，机器人还需要进行运动控制，根据输入信号对机器人速度、方向等进行精确控制，实现行动的自主决策。

在动力学控制研究中，机器人模型是关键因素之一。

轮式移动机器人模型通常采取双轮模型或三轮模型。

其中，双轮模型是轮式移动机器人动力学控制研究的基础，其模型侧重于机器人的旋转运动和线性运动，包括转向、加速度控制等内容。

而三轮模型在双轮模型的基础上进行了扩展，能够对多种移动方式进行控制，如直线行驶、弯道行驶、斜角行驶等。

在实际应用中，轮式移动机器人动力学控制研究有着广泛的应用前景。

首先，在制造业中，机器人能够替代人力完成重复性、危险或高难度的任务，提高生产效率，减少工业事故的发生。

其次，轮式移动机器人在医疗领域也发挥着重要作用。

如开展手术、输送药品和物资等。

此外，在军事和公共安全领域，轮式移动机器人不仅可以进行实时监控，也可以在紧急状态下进行侦查、搜救等任务。

然而，轮式移动机器人动力学控制研究也存在一些尚未解决的问题。

例如，机器人在复杂环境下行驶容易受到干扰，从而导致行进路径出现误差；机器人的运动控制也存在精度不足、响应时间慢等问题。

此外，随着机器人技术不断发展，信息安全问题也愈来愈受到关注。

综上所述，轮式移动机器人动力学控制研究是机器人领域的热门研究方向，其应用前景广阔。

未来，在机器人技术和理论基础不断深入的同时，也需要不断探索实际应用场景，进一步完善轮式移动机器人的动力学控制方法。

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。