两轮自平衡车系统的设计

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。

此时系统两个极点为:图1总体结构图通过比较,对各模块做如下选择。

控制系统模块,采用AVR(ATmega16)单片机。

角度控制模块采用MMA7361。

陀螺仪模块采用图2总体系统电路原理图L298N电机驱动电路原理图传感器模块转接电路115Science&Technology Vision科技视界图3软件流程图5结论两轮自平衡小车是一个集多种功能于一体的综合系统,是自动控制理论与动力学理论及技术相结合的研究课题,其关键问题是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。

它是一种两轮共轴、独立驱动、车身中心位于车轮轴上方,通过运动保持平衡,可直立行走的复杂系统。

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。

【参考文献】[1]黄有锐,曲立国.PID控制器参数整定与实现[M].北京:科学出版社,2010.[2]范世珣,范大鹏,张智永,孙海洋.机电装置频率特性的数字化测试方法研究[J].动力学与控制学报,2007,5.[3]丁学明,张培仁,杨兴明,徐勇明.基于单一输入法的两轮移动式倒立摆运动控制[J].系统仿真学报,2004,16.[4]K Pathak,J Franch,S K Agrawal.Velocity and Position Control of a WheeledInverted Pendulum by Partial Feedback Linearization[J].IEEE Trans.on Robotics,2005.的缘故。

(a)“电阻率-温度”关系图(0-300K)(b)“电阻率-温度”关系图(0-10K)图3图(a)为NdOFeP的电阻率与温度(2K至300K)的关系曲线图,图(b)为NdOFeP的电阻率与温度(2k至10K)的关系曲线大图。

(2)NdOFeP的磁性测量过程由于NdOFeP中含有微量的磁性杂质,抑制了样品本身的磁性质。

两轮智能平衡小车研究思路和方法两轮智能平衡小车是一种应用于机器人领域的新兴技术。

该车可以在不借助外力的情况下，保持平衡状态并完成各种运动任务。

本文将介绍两轮智能平衡小车研究的思路和方法。

一、研究思路两轮智能平衡小车的研究思路是将传感器、控制器和电机组成一个可控制的系统。

系统监测小车的姿态和运动状态，并调整车身的倾斜角度和转速，以保持平衡状态。

具体思路如下：1. 对小车的电路进行设计和搭建，包括底层硬件协议和数据传输协议。

2. 选择和安装传感器，包括加速度计和陀螺仪。

通过这些传感器来获取小车的姿态和运动状态的信息。

3. 设计小车的控制器，包括将传感器获取的数据转换成控制信号的代码。

4. 设计和调试小车的电机驱动程序，以保证控制信号能够按照设定的方式正确地操作电机，并实现车身的平衡控制。

5. 完成小车的充电和充电管理系统。

二、研究方法两轮智能平衡小车的研究方法主要可以分为以下几个阶段：1. 车载装置安装：选择合适的传感器并将其安装在小车上。

同时，需要在小车上安装电池和充电系统。

2. 传感器校准和参数优化：通过收集和分析传感器的数据，可以校准传感器的误差，并对传感器的参数进行优化，以提高控制精度。

3. 控制器设计：开发适用于平衡车的控制器，并对控制器进行验证。

在设计控制器时，需要将传感器输出的数据进行滤波处理，并设置控制参数，以实现正确的运动控制。

4. 电机驱动程序设计和测试：为小车设计驱动程序，使其能够实现平稳的平衡控制，并能够实现必要的运动步态。

同时，需要进行严格的测试和验证，以确保小车在运动时能够保持平衡。

5. 性能测试：通过对小车进行不同场景的测试，可以评估平衡车系统的性能。

测试时需要考虑不同的地形和环境条件，以评估平衡车的实际应用情况。

三、总结两轮智能平衡小车研究是一个复杂的系统工程，需要涉及机械结构、电子技术、传感技术、控制系统等多个领域。

在研究中需要充分利用各种工具和方法，规划研究方向和目标，设计测试方案和方法，以实现高效的研究和开发。

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。

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。

• 156•本文主要是对两轮自平衡车进行设计，以STC89C52单片机作为主控制器，用MPU6050姿态传感器来对两轮小车当前的状态进行检测操作，利用电机驱动对小车轮子进行控制，整体上实现小车的平衡状态。

Kalman 滤波对现场采集的数据进行实时的更新和处理，同时系统可以通过编码电路进行速度检测，以控制平衡小车的行驶方向。

现如今，随着社会经济的发展以及人们物质生活水平的提高，汽车等交通工具的出现在一定意义上满足了人们的现代化需求，带来了一定程度上的便利，但是也带来了一定的问题，例如：体积较大、在大城市中的停车问题、效能使用率较低，一旦发生交通拥堵还会带来一定的安全隐患。

所以为了满足不同环境内的需求，即使是在狭小的空间范围内也可以正常使用，自平衡小车的设计应运而生。

自平衡小车整体控制较为灵活，能够大大减少能源的消耗，整体运行操作简单，同时符合绿色环保的理念，在实际应用中可以作为人们短距离内的代步工具。

自平衡小车的设计推广不仅便利了人们的日常出行，同时激发了人们的外出运动的兴趣，在一定程度上锻炼了人们的身体素质，有益身心健康。

所以针对自平衡小车的进一步研究具有较强的现实推广意义。

1 系统设计及原理分析1.1 控制要求分析小车保持平衡和自然界中各种物体保持平衡的原理是一样的，那就是在一个相对平衡的状态下，哪个方向有变化的趋势，就向那个方向加一个相反方向的力，来推动物体保持平衡。

而对于自然界中的倾斜问题，往往采取的是物体向哪倾斜，就在那个方向上施加一个力，使它向倾斜的方向产生一个加速度，这样物体就保持平衡了。

例如美国人发明的运货的机器马，用力推它，它只会向你推它的方向运动，以此来保持平衡，这是一种负反馈的调节方式。

小车运动过程中保持平衡就是采用的负反馈控制，小车是靠两个轮子保持平衡的。

因此小车在出现倾斜时，平衡检测系统就会检测到小车的倾斜数据，然后调节小车两个轮子的速度来使其恢复之前的平衡状态。

1.2 小车数学模型控制小车的稳定运行，使小车始终保持平稳，需要对小车的模型进行受力分析，来找出使小车达到平衡最好的方法。

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。

两轮平衡车建模与系统设计的开题报告
一、选题背景
随着技术的不断发展，越来越多新型的运动方式开始普及，其中，
两轮平衡车逐渐成为了时尚休闲运动的代表。

而二十一世纪初，随着马
达电动机和陀螺仪等技术的成熟，两轮平衡车得以实现电动化，从而吸
引了更多人的关注。

但是目前，两轮平衡车市场存在着诸多问题，如车
身稳定性、动力系统的优化、安全性等方面，这些问题都需要通过建模
与系统设计加以解决。

二、研究意义
本次研究旨在建立两轮平衡车的动力学模型和控制模型，通过仿真
的方式对两轮平衡车进行控制策略的评估，并提出制约两轮平衡车系统
稳定性和控制性能的因素，从而为两轮平衡车的设计与控制提供必要的
理论基础和技术支持。

三、研究内容
本次研究主要内容包括以下三个方面：
1. 两轮平衡车的动力学建模
2. 控制系统的设计与实现
3. 仿真验证与性能评估
四、研究方法
1. 建立两轮平衡车的动力学模型，包括运动学模型和动力学模型。

2. 设计控制策略，包括PD控制策略、LQR控制策略等。

3. 建立基于MATLAB/Simulink的仿真模型，对两轮平衡车进行模拟。

4. 通过仿真模型验证控制策略的有效性，并对控制性能进行评估。

五、预期目标
本次研究的预期目标为，建立较为准确的两轮平衡车动力学模型和控制模型，实现控制策略的设计与实现，通过仿真验证控制策略的有效性，并提出优化建议。

期望该研究的成果能够为两轮平衡车的设计与控制提供理论依据和技术支持。

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。

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。

两轮电动平衡车系统电路设计详解—电路图天天读（174）-全文在国外，两轮载人平衡车早已被用于一些公共场合了，如今很多机场、火车站、汽车站等公共场所都运用了两轮载人平衡车。

研究两轮平衡车小车有利于研究两轮载人平衡车。

本作品主要由一块IAP15F2K61S2单片机开发板做主控板，一个电源和传感器模块来采集角度数据并为系统供电，一个测速模块来测得电机的速度信息，最后把角度信息转化成PWM输出给一个电机驱动模块来控制两个空心杯电机。

本设计是基于IAP15F2K61S2单片机系统开发的两轮平衡车，采用IAP15F2K61S2单片机开发板做主控板，用MPU6050 陀螺仪和加速度传感器采集加速度和角速度，通过计算得出角度以确定小车姿态，再通过光电门传感器测出小车电机转速，以计算出车速，运用PID算法再根据传感器测得数据处理后对电机驱动进行PWM输出，调节合适的PID参数使小车能稳定直立起来。

本作品使用简单，打开总开关小车即可直立。

两轮载人平衡车在一些公共场合有一定的优势，研究两轮平衡小车对开发两轮载人平衡车有一定的帮助，本作品具有结构简单清晰，使用方便等特点。

设计特色：小车底盘是我们用游标卡尺量出电机支架的孔径和位置，用Altium Designer 软件画出底盘模型，再用雕刻机和亚克力板雕刻出底盘。

车上面传感器模块和电池盒的安装具有对称性，使小车重心在电机上方，传感器安装比电机稍微高点，大概在重心处，这样有助于小车的平衡和稳定性。

在算法上我们采用精简PID算法和卡尔曼滤波算法来控制电机，使系统更稳定可靠。

平台选型说明：本系统采用IAP15F2K61S2单片机开发板做主控板，IAP15F2K60S2是1T的8051单片机。

是真正意义上的单片微机，宽工作电压，不需要外部复位电路和外部晶振，内部晶振5—33.1776M 可选。

片上外设丰富，具有3通道捕获\比较单元（CCP/PCA/PWM），8通道10位高速 AD，3个定时器/计数器，双串口，高速串行通信ISP 接口，大容量片内EEPROM。

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。

毕业设计（论文）
题目两轮平衡车的设计
系（院）机电工程系
专业机械设计制造及其自动化
学号
指导教师
职称
二〇一四年六月二十日
独创声明
本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。

据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:
二〇一二年月日
毕业设计（论文）使用授权声明
本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。

本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。

（保密论文在解密后遵守此规定）
作者签名:
二〇一二年月。

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。

两轮自平衡车实验平台的设计设计两轮自平衡车实验平台需要考虑到多个方面，包括机械结构、电气控制、传感器、通信模块和用户界面等。

下面将详细介绍设计两轮自平衡车实验平台的过程。

首先，我们需要设计一个坚固稳定的机械结构，以确保两轮自平衡车的平衡性和稳定性。

该结构应该由高强度的材料制成，确保车辆在运动过程中不会发生过度摇晃和失去平衡。

此外，机械结构还应包括两个电机和两个轮子，以便驱动和控制车辆的运动。

其次，电气控制是设计两轮自平衡车的关键部分。

我们需要使用一个控制器，例如Arduino或Raspberry Pi，来实现车辆的平衡和运动控制。

控制器需要能够读取车辆的倾斜角度和速度，并根据这些参数来调整电机的转速和方向，以保持车辆的平衡。

此外，控制器还应该具有与其他模块（例如传感器和通信模块）进行通信的能力。

传感器也是设计两轮自平衡车实验平台的关键组成部分。

我们需要使用一个陀螺仪传感器来测量车辆的倾斜角度，以及一个加速度传感器来测量车辆的加速度。

通过对这些传感器数据的分析和处理，控制器可以确定车辆是否失去平衡，并采取相应的措施来保持平衡。

此外，我们还可以添加其他传感器，如红外线传感器和超声波传感器，以帮助车辆识别和避免障碍物。

通信模块是另一个重要的组成部分，它可以使车辆能够与外部设备进行通信。

例如，我们可以使用无线通信模块（如Wi-Fi或蓝牙）来与智能手机或计算机进行连接，以便通过应用程序或软件来控制车辆的运动。

此外，我们还可以使用带有GPS模块的通信模块，以便实时跟踪车辆的位置和路径。

最后，我们需要设计一个用户界面，以便用户可以直观地控制和监控车辆的运动。

用户界面可以通过应用程序或软件来实现，可以显示车辆的倾斜角度、速度和位置等信息，并提供相应的控制按钮和滑动条，以便用户可以调整车辆的运动参数。

综上所述，设计两轮自平衡车实验平台需要考虑到机械结构、电气控制、传感器、通信模块和用户界面等多个方面。

通过合理设计和组合这些组件，我们可以实现一个稳定、灵活和易于操作的两轮自平衡车实验平台，为相关研究和实验提供便利。

环保问题也愈来愈受到各国的重视。其中,交通出行是低碳环保和节能减排的关键领域。
近年来,随着两轮平衡车在市场上的兴起,其集结构简单,节能环保,转弯半径小,控制方便等优点于一体,成为了许多出行者的代步工具,同时也吸引了很多科研人员的青睐。本文针对平衡车控制系统的特点,对平衡车控制系统进行了设计,对平衡车控制算法进行了相关的研究。
论文主要研究内容与成果如下:1.针对两轮自平衡车的运动特性和结构特点,通过拉格朗日方程法建立平衡车动力学方程,并通过MATLAB进行仿真,验证了该模型的正确性。2.基于两轮自平衡车的控制系统,对控制的总体方案进行了设计并选取相应的硬件模块进行硬件电路的控制设计。
其中,硬件模块主要包括STM32单片机模块、MPU6050传感器模块、电源模块和电机驱动模块等组成。软件主要使用互补滤波算法对平衡车的姿态进行解算,并使用PID算法对平衡车进行控制,最后通过MDK软件将程序烧录至STM32单片机进行控制实现自平衡。
3.通过使用增强学习控制算法来对平衡车进行仿真控制。该算法无需模型和先验知识,可通过不断的进行试错学习训练出控制策略。
在仿真实验中,给定平衡车一个初始状态,实验效果达到预期,验证增强学习算法有效性。4.针对纯增强学习控制的弊端,设计出增强学习结合神经网络的算法,使用改进后的增强学习算法对平衡车进行仿真控制,对比纯增强学习算法,仿真实验效果更加理想。

毕业设计（论文）题目两轮平衡车的设计系（院）机电工程系专业机械设计制造及其自动化学号指导教师职称二〇一四年六月二十日独创声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。

据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:二〇一二年月日毕业设计（论文）使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。

本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。

（保密论文在解密后遵守此规定）作者签名:二〇一二年月两轮平衡车的设计摘要两轮自平衡车结合了两轮同轴、独立驱动、悬架结构和倒立摆模型的自平衡原理，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。

底盘采用下沉式的悬架结构，降低车身和使用者的重心减小了平衡控制难度,利用阻尼器削弱冲击力提高驾驶舒适性；控制部分由陀螺仪和加速度计作为传感器模块监测车体状态，可获得精确稳定的测量数据。

同时微处理器实时处理状态数据，进而由驱动模块控制电机转动以维持车体平衡；转向操纵杆高度可调节亦可折叠，以适应不同高度人士使用又便于运输和存放；采用电池作为动力能源，当车减速或下坡时可自动回送电能更加节能。

两轮自平衡车的基本设计理念是娱乐、经济、安全、方便、节能环保。

本车具有运动灵活、智能控制、操作简便等特点，同时它价格低廉、性价比高，娱乐性和适用性增强，弥补了传统观车辆的体积大、功耗多，不适于单人使用的缺点。