两轮平衡车控制系统设计与研究

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。

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。

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。

两轮自平衡小车设计报告设计报告：两轮自平衡小车一、引言二、设计理念本设计希望实现一个简洁、稳定和高效的两轮自平衡小车。

考虑到小车需要快速响应外界环境变化，并迅速做出平衡调整，因此采用了传感器、控制器和执行机构相结合的设计思路。

通过传感器获取小车倾斜角度和加速度等数据，通过控制器对采集的数据进行处理和判断，并通过执行机构实时调整车身的倾斜角度，以实现平衡行走。

三、原理四、硬件结构1.车身结构：车身由两个电机、一个控制器、一个电池和一个平衡摆杆组成。

2.电机：采用直流无刷电机，具有较高的转速和输出功率。

3.控制器：采用单片机控制模块，能够对传感器数据进行处理和判断，并输出控制信号给电机。

4.传感器：主要包括陀螺仪、加速度计和倾斜传感器，用于感知小车的倾斜角度和加速度等数据。

5.电池：提供小车的电力供应，保证小车正常运行。

五、软件控制小车的软件控制主要包括数据处理和判断、控制信号生成和输出三个方面。

1.数据处理和判断：通过获取的传感器数据，包括倾斜角度和加速度等信息，根据预设的控制算法进行数据处理和判断。

2.控制信号生成：根据处理和判断得出的结果，生成相应的控制信号。

控制信号包括电机的转动方向和速度。

3.控制信号输出：将生成的控制信号输出给电机，实现倒立摆的平衡。

六、小车性能测试为了验证小车的设计和功能是否符合预期，进行了多项性能测试。

1.平衡行走测试：将小车放在平坦的地面上，通过传感器检测到小车的当前倾斜角度并进行调整，实现小车的自平衡行走。

2.转向测试：在平衡行走的基础上，通过控制信号调整两个电机的速度差，从而实现小车的转向。

3.避障测试：在平衡行走和转向的基础上，添加超声波传感器等避障装置，实现小车的避障功能。

七、总结通过本设计报告的详细介绍，我们可以看出两轮自平衡小车具备平衡行走、转向和避障等功能，为用户提供了一个稳定、高效的移动平台。

未来，我们将进一步优化小车的设计和控制算法，提高小车的性能和应用范围。

两轮自平衡小车的姿态平衡问题类似于倒立摆的平衡问题。

通过调节左轮和右轮的运动速度和运动方向来控制。

当车身倾斜时,可通过左右电机产生控制力矩来调节左轮和右轮的运动速度和运动方向,控制左轮和右轮向倾斜方向或倾斜速度方向运动,使其姿态回复直立平衡状态。

姿态检测是实现平衡控制需要获得车身状态信息的关键,姿态检测需要姿态检测元件,包括倾角仪、加速度计和陀螺仪。

姿态检测元件的选取是影响平衡效果的关键因素。

本文所设计的两轮自平衡小车采用的MPU-6050整合了三轴陀螺仪和三轴加速度计,采用ATmega16单片机做控制单元,L298驱动两个直流无刷电机,两个霍尔传感器测电机转速。

MPU-6050采集到的角速度和角加速度信息还有霍尔传感器测得的电机转速信息给单片机,单片机处理数据结合PID算法输出PWM给L298控制两个直流电机。

两轮自平衡小车控制系统可做为一个实验平台用于研究学习现代控制理论、非线性化处理、角度信号检测及电机驱动控制等技术问题。

1 系统结构组成本文设计的两轮自平衡小车控制系统结构组成包括电源、单片机ATmega16、MPU-6050、电机驱动L298、电机和霍尔测速传感器。

系统结构框图见图1。

ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS 微控制器。

由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega16的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz,从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

ATmega16外设特点包括具有两个独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器,一个具有预分频、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器,四通道PWM,两个可两轮自平衡小车姿态平衡控制系统的研究卢秀和 李海铭 薛鹏 魏巍 张斌 李建波(长春工业大学 吉林长春 130000)摘要：两轮自平衡小车姿态平衡控制是一个非线性控制系统,对于控制算法研究,检测技术研究,电机驱动研究等领域有着较深远的影响。

智能平衡车控制系统的设计与优化研究第一章：引言智能平衡车是一种能够通过自我平衡控制实现人类出行的工具，近年来由于其方便快捷，越来越受到人们的欢迎。

作为一种高科技产品，智能平衡车的设计与控制系统研究也越来越受到关注。

本文将围绕着智能平衡车控制系统的设计与优化开展研究。

首先，我们将探讨智能平衡车的概念及其分类。

其次，我们将介绍智能平衡车的控制系统及其功能模块。

最后，我们将重点讨论智能平衡车控制系统的设计与优化方法。

第二章：智能平衡车的概念及分类智能平衡车是一种基于电机驱动、陀螺仪感应及控制的新型交通工具。

它既取代了传统的自行车、滑板车等代步工具，同时又具备了电动车、摩托车等车辆的便捷性和快捷性。

智能平衡车根据不同的用途和形状，可被划分为以下几种：1.迷你型平衡车：主要用于室内使用，体积小，便于携带，适合办公室或家庭使用。

2.城市最后一公里平衡车：主要应用于城市交通，方便易用，小体积，无排放污染。

3.运动型平衡车：主要应用于运动、比赛或娱乐，速度快，追求激情和刺激。

第三章：智能平衡车的控制系统及功能模块智能平衡车控制系统主要由传感器、数据采集与处理、电机控制等部分组成。

其中，传感器主要负责采集平衡车运动信息，将信息传输到数据采集与处理部分。

电机控制部分根据处理结果，控制电机运动，实现平衡车自我平衡。

智能平衡车控制系统的功能模块包括：1.传感器模块：根据需要，可选择使用加速度传感器、陀螺仪、磁力计等传感器，采集平衡车的动态信息。

2.控制器模块：主要负责采集传感器模块采集到的数据，根据算法进行运算处理，输出电机控制信号。

3.电机模块：拥有单/双轮控制电机，控制平衡车的前进后退、左右平衡等动作。

第四章：智能平衡车控制系统的设计与优化方法智能平衡车控制系统的设计与优化方法主要有以下几种：1.闭环控制方法：该方法通过反馈控制来调节平衡车的姿态，保证平衡车达到稳定状态。

闭环控制方法主要应用于追求精度、稳定性较高的平衡车产品中，如运动型平衡车。

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。

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。