平衡车控制

两轮自平衡机器人控制系统的设计（转）

2008年06月27日星期五 20:45

1 引言

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)；

——左轮转速(rad/s)；

——左轮电机电磁转矩( )

——左轮承受的车身水平作用力(N)；

由车身得到方程：

（2）

v 、 a

——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；

——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。取近似(sin = ，cos =1)，将式(1)代入式(2)，得到车身前进运动模型

（3）这样我们建立了关于角度和加速度微分方程。

3两轮自平衡机器人的控制系统设计

3.1控制系统的硬件设计

两轮自平衡机器人Opyanbot的硬件主要由电源管理模块、测量单元、运动控制单元、伺服电机和主控机组成，如图2所示。

图 2：两轮自平衡机器人硬件结构图

电源管理模块提供各单元所需电压；测量单元包括倾角传感器、陀螺仪和电机码盘，分别测量机器人竖直倾斜角度、竖直水平转动角速度和两个电机各自的位置和转速，测量单元将数据传入运动控制单元。运动控制单元是基于DSP 的IPM100全数字智能伺服驱动单元，内嵌高水平的Technosoft运动语言，可以按照内部EEROM的程序独立运行，或者在主控制器的监督下利用串口通讯运行命令程序，通过内设闭合电流环、位置环和电流环，精确控制伺服电机的工作状态，如图3所示；

图 3：IPM100 闭环控制方框图

主控机内写有控制算法模块和指令模块，可以通过RS485实时采集由运动控制单元传入的测量信号，并向运动控制单元发送命令。

3.2 控制算法的设计

3.2.1平衡控制

两轮自平衡机器人是一个多输入、单输出系统，分别以机器人竖直角度、竖直方向角速度和电机转速为输入，车轮转动角加速度为输出，

由上面得到的微分方程，得出状态方程：

（4）

其中：

（5）

利用线性系统的可控性秩判据rank(B AB A2B)=3，系统可控；利用线性系统的可观性秩判据rank(C CA CA2)=3，系统可观。因此近似线性化系统状态完全可控可观，系统满足最有控制使用条件。[4]

下面我们应用LQR 控制算法对其进行计算，设最优控制向量的矩阵K：

（6）

是满足两轮自平衡机器人处于平衡状态的加速度，这样就得到了满足平 u

b(t)

衡控制要求的控制量。

3.2.2 直行、转弯控制

两轮自平衡机器人的其他运动（直行、转弯），都是在这个控制量的基础上进行加减。具体控制方法如图４所示：

图 4：两轮自平衡机器人控制结构图

机器人的行进，是在机器人平衡的基础上，通过给两轮增加相同的控制量

u s 来实现的。由于两轮分别独立驱动，即便获得同样的直行信号u

，也不能保证

两轮行进速度始终相同，行进路线保持直线，这样就需要机器人对于行进方向具有自动校正能力。

机器人直线行走模型是一个双输入、单输出系统，输入它与水平转速和两轮行进距离的差成线性关系：

（7）

水平转速可以通过陀螺仪的水平分量得到，两轮行进距离可以通过编码器读

到，利用最优控制算法同样可以得到系数h

1、h

的值，从而得到用于校正行进方

向的输出的。

机器人的转向运动，可以通过两轮差动方法实现，分别给左右两轮加上一对大小相同、方向相反的控制量u

。

这样就可以得到两轮自平衡机器人总输出：

（8）

3.3 机器人运动的精确控制

本机器人由于采用基于DSP数字电路的全数字智能伺服驱动单元IPM100作为运动控制器，并且可以利用上位机编写控制复杂的控制指令，对机器人可以进

行实时控制，因此精确的控制机器人的运动状态和运动轨迹成为可能。

机器人速度精确控制可以通过改变（6）中状态变量v来实现。如果目标速度是v

，则通过

（9）

可以使移动速度稳定在v

t 。如果目标加速度是u

，只需令

s = u

(10)

可以使机器人按照加速度u

加速。转动角度可以通过改变方程（7）来实现，如果需要向右转动，则

（11）

这样就实现了速度、加速度、转角控制的精确控制。

通过读两轮编码器，可以得到机器人位置、朝向、运动速度等信息。这样就可以通过编写程序，让机器人按照预先指定的运动状态和路线运动。

4 仿真与实验结果

可以利用Matlab函数求得矩阵：调整对角矩阵Q中的参数即对输入量的加权值，得到不同的仿真结果，进而得到最终的参数。

在初始值为时的仿真曲线如图5所示：

图 5 两轮自平衡机器人平衡仿真曲线

从仿真中可以看到竖直偏离角度在0.8秒时归零，角速度也在5秒内归零，机器人重新回到稳态平衡状态。

图 6 两轮自平衡机器人Opyanbot

Opyanbot的上位机使用PC机、应用VC编写控制程序、RS485传输。

平衡试验：

根据测试，从IPM板向上传输到IPM接受到指令需要耗费存在大约50ms的时间，但是不影响平衡控制效果，并且总延迟在80ms内可以保证平衡控制效果。

图 7 机器人有外部干扰时的竖直倾角曲线

在外界干扰使机器人竖直倾角达到20° 时，机器人可以在3秒内重新回到平衡状态，如图7所示，说明机器人具有很好的鲁棒性。在稳定状态时竖直摆动角度在±3° 以内，机器人控制过程平缓柔和。

行进试验：

机器人最大时速可以超过10km/h，最大加速度0.5m/s2。在直线行进实验中，20米的行进距离偏移角度5%以内。

机器人可以以任何半径转弯，零半径原地转动360°最小需时2.1s。

5 结论

基于MATLAB的汽车运动控制系统设计仿真

课程设计题目汽车运动控制系统仿真设计学院计算机科学与信息工程学院班级2010级自动化班姜木北：2010133*** 小组成员指导教师吴

2013 年12 月13 日汽车运动控制系统仿真设计 10级自动化2班姜鹏 2010133234 目录摘要 (3) 一、课设目的 (4) 二、控制对象分析 (4) 2.1、控制设计对象结构示意图 (4) 2.2、机构特征 (4) 三、课设设计要求 (4) 四、控制器设计过程和控制方案 (5) 4.1、系统建模 (5) 4.2、系统的开环阶跃响应 (5) 4.3、PID控制器的设计 (6) 4.3.1比例（P）控制器的设计 (7) 4.3.2比例积分（PI）控制器设计 (9) 4.3.3比例积分微分(PID)控制器设计 (10) 五、Simulink控制系统仿真设计及其PID参数整定 (11) 5.1利用Simulink对于传递函数的系统仿真 (11) 5.1.1 输入为600N时，KP=600、KI=100、KD=100 (12) 5.1.2输入为600N时，KP=700、KI=100、KD=100 (12) 5.2 PID参数整定的设计过程 (13) 5.2.1未加校正装置的系统阶跃响应： (13) 5.2.2 PID校正装置设计 (14) 六、收获和体会 (14) 参考文献 (15)

摘要本课题以汽车运动控制系统的设计为应用背景，利用MATLAB语言对其进行设计与仿真.首先对汽车的运动原理进行分析，建立控制系统模型，确定期望的静态指标稳态误差和动态指标搬调量和上升时间，最终应用MATLAB环境下的.m 文件来实现汽车运动控制系统的设计。其中.m文件用step函数语句来绘制阶跃响应曲线，根据曲线中指标的变化进行P、PI、PID校正；同时对其控制系统建立Simulink进行仿真且进行PID参数整定。仿真结果表明，参数PID控制能使系统达到满意的控制效果，对进一步应用研究具有参考价值，是汽车运动控制系统设计的优秀手段之一。关键词：运动控制系统 PID仿真稳态误差最大超调量

线控两轮平衡车的建模与控制研究

线控两轮平衡车的建模与控制研究文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-

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2.研究内容自平衡式两轮电动车是一个非线性、强耦合、欠驱动的自不稳定系统，对其控制策略的研究具有重大的理论意义。我们通过分析两轮平衡车的物理结构以及在平衡瞬间的力学关系，得到两轮车的力学平衡方程，并建立其数学模型。运用MATLAB 和SIMULINK 仿真系统的角度θ、角加速度? θ、位移x 和速度的? x 变化过程，对其利用外部控制器来控制其平衡。 3.系统建模两轮平衡车的瞬时力平衡分析如图1所示。下面将分析归纳此时的力平衡方程[1-3]，并逐步建立其数学模型。对两轮平衡车的右轮进行力学分析，如图2所示。依据图2对右轮进行受力分析，并建立其平衡方程： =R R R R M X f H ? - (1) R R R R J C f R ??? =- (2) 同理，对左轮进行受力分析，并建立其平衡方程： =R L L L M X f H ? - (3) L L L L J C f R ??? =- (4) 两轮平衡车摆杆的受力分析如图3所示，由图3可以得到水平和垂直方向的平衡方程以及转矩方程。水平方向的平衡方程： H H x R L p m +=? ? (5) 其中θsin L x x m p +=，则有：

基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计

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平衡车平衡控制算法

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汽车智能照明控制系统设计

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学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学院有关保管、使用学位论文的规定，同意学院保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于 1、保密□，在年解密后适用本授权书。 2、不保密□。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：年月日导师签名：年月日

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双轮自平衡小车机器人系统设计与制作

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前言移动机器人是机器人学的一个重要分支，对于移动机器人的研究，包括轮式、腿式、履带式以及水下式机器人等，可以追溯到20世纪60年代。移动机器人得到快速发展有两方面原因：一是其应用围越来越广泛；二是相关领域如计算、传感、控制及执行等技术的快速发展。移动机器人尚有不少技术问题有待解决，因此近几年对移动机器人的研究相当活跃。近年来，随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，所面临的环境和任务也越来越复杂。机器人经常会遇到一些比较狭窄，而且有很多大转角的工作场合，如何在这样比较复杂的环境中灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。双轮自平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的。两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器人，是一种多变量、非线性、强耦合的系统，是检验各种控制方法的典型装置。同时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。因为它既有理论研究意义又有实用价值，所以两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。本论文主要叙述了基于stm32控制的两轮自平衡小车的设计与实现的整个过程。主要容为两轮自平衡小车的平衡原理，直立控制，速度控制，转向控制及系统定位算法的设计。通过此设计使小车具备一定的自平衡能力、负载承载能力、速度调节能力和无线通讯功能。小车能够自动检测自身机械系统的倾角并完成姿态的调整，并在加载一定重量的重物时能够快速做出调整并保证自身系统的自我平衡。能够以不同运动速度实现双轮车系统的前进、后退、左转与右转等动作，同时也能够实现双轮自平衡车系统的无线远程控制操作

智能小车速度控制程序

/************************************************************************** ** 简单寻迹程序：接法 EN1 EN2 PWM输入端，本程序不输入PWM，直接使插上跳线帽，使能输出，这样就能全速运行接上测速模块测速模块电源+5V GND 取自于单片机板靠近液晶调节对比度的电源输出接口把测速模块输出OUT1 OUT2 接入单片机P3。2 P3。3 P1_0 P1_1 接IN1 IN2 当P1_0=1,P1_1=0; 时左上电机正转左上电机接驱动板子输出端（蓝色端子OUT1 OUT2） P1_0 P1_1 接IN1 IN2 当P1_0=0,P1_1=1; 时左上电机反转 P1_0 P1_1 接IN1 IN2 当P1_0=0,P1_1=0; 时左上电机停转 P1_2 P1_3 接IN3 IN4 当P1_2=1,P1_3=0; 时左下电机正转左下电机接驱动板子输出端（蓝色端子OUT3 OUT4） P1_2 P1_3 接IN3 IN4 当P1_2=0,P1_3=1; 时左下电机反转 P1_2 P1_3 接IN3 IN4 当P1_2=0,P1_3=0; 时左下电机停转 P1_4 P1_5 接IN5 IN6 当P1_4=1,P1_5=0; 时右上电机正转右上电机接驱动板子输出端（蓝色端子OUT5 OUT6） P1_4 P1_5 接IN5 IN6 当P1_4=0,P1_5=1; 时右上电机反转

P1_4 P1_5 接IN5 IN6 当P1_4=0,P1_5=0; 时右上电机停转 P1_6 P1_7 接IN7 IN8 当P1_6=1,P1_7=0; 时右下电机正转右下电机接驱动板子输出端（蓝色端子OUT7 OUT8） P1_6 P1_7 接IN7 IN8 当P1_6=0,P1_7=1; 时右下电机反转 P1_6 P1_7 接IN7 IN8 当P1_6=0,P1_7=0; 时右下电机停转 P3_2接四路寻迹模块接口第一路输出信号即中控板上面标记为OUT1 P3_3接四路寻迹模块接口第二路输出信号即中控板上面标记为OUT2 P3_4接四路寻迹模块接口第三路输出信号即中控板上面标记为OUT3 P3_5接四路寻迹模块接口第四路输出信号即中控板上面标记为OUT4 四路寻迹传感器有信号(白线）为0 没有信号（黑线）为1 四路寻迹传感器电源+5V GND 取自于单片机板靠近液晶调节对比度的电源输出接口关于单片机电源：本店驱动模块内带LDO稳压芯片，当电池输入6V时时候可以输出稳定的5V 分别在针脚标+5 与GND 。这个输出电源可以作为单片机系统的供电电源。 ****************************************************************************/ #include

实验七-对汽车控制系统的设计与仿真

实验七对汽车控制系统的设计与仿真一、实验目的：通过实验对一个汽车运动控制系统进行实际设计与仿真，掌握控制系统性能的分析和仿真处理过程，熟悉用Matlab 和Simulink 进行系统仿真的基本方法。二、实验学时：4 个人计算机，Matlab 软件。三、实验原理：本实验是对一个汽车运动控制系统进行实际设计与仿真，其方法是先对汽车运动控制系统进行建摸，然后对其进行PID 控制器的设计，建立了汽车运动控制系统的模型后，可采用Matlab 和Simulink 对控制系统进行仿真设计。注意：设计系统的控制器之前要观察该系统的开环阶跃响应，采用阶跃响应函数step( )来实现，如果系统不能满足所要求达到的设计性能指标，需要加上合适的控制器。然后再按照仿真结果进行PID 控制器参数的调整，使控制器能够满足系统设计所要求达到的性能指标。 1. 问题的描述如下图所示的汽车运动控制系统，设该系统中汽车车轮的转动惯量可以忽略不计，并且假定汽车受到的摩擦阻力大小与汽车的运动速度成正比，摩擦阻力的方向与汽车运动的方向相反，这样，该汽车运动控制系统可简化为一个简单的质量阻尼系统。根据牛顿运动定律，质量阻尼系统的动态数学模型可表示为： ? ??==+v y u bv v m & 系统的参数设定为：汽车质量m =1000kg ，比例系数b =50 N ·s/m ，汽车的驱动力u =500 N 。根据控制系统的设计要求，当汽车的驱动力为500N 时，汽车将在5秒内达到10m/s 的最大速度。由于该系统为简单的运动控制系统，因此将系统设计成10％的最大超调量和2％的稳态误差。这样，该汽车运动控制系统的性能指标可以设定为：上升时间：t r <5s ；最大超调量：σ％<10％；稳态误差：e ssp <2％。 2、系统的模型表示

智能车控制算法

智能车转角与速度控制算法 1.检测黑线中点Center：设黑、白点两个计数数组black、white，从第一个白点开始，检测到一个白点，白点计数器就加1，检测到第一个黑点，黑点计数器就加1，并且白点计数器停止，以此类推扫描每一行；黑线中点=白点个数+（黑点的个数/2） 2.判断弯直道：找出黑线的平均位置avg (以每10行或者20…作为参照，行数待定) 算出相对位移之和(每一行黑线中点与黑线平均位置距离的绝对值之和) 然后用Curve的大小来确定是否弯直道（Curve的阀值待定）。 3.控制速度：根据弯度的大小控制速度大小。 //*****************************弯度检测函数*******************************// Curvecontrol () { int black[N]; //黑点计数器 int white[N]; //白点计数器 int center[N]; //黑线中点位置 int avg; //黑线中点平均位置 int curve；//N行的相对位移之和 if(白点) ++white[N]; //判断黑白点的个数 else ++black[N]; center[N]=white[N]+black[N]/2; //每一行的黑线中点avg=(center[1]+center[2]+...+center[N])/N; //求出黑线中点的平均位置 curve=(|avg-center[1]|+|avg-center[2]|+...+|avg-center[N]|)/N //求出N行的相对位移之和 return curve; //返回弯度大小

汽车运动控制系统仿真

一、摘要 2 二、课程设计任务 3 1．问题描述 3 2．设计要求 3 三、课程设计内容 4 1、系统的模型表示 4 2、利用Matlab进行仿真设计 4 3、利用Simulink进行仿真设计 9 总结与体会 10 参考文献 10

本课题以汽车运动控制系统的设计为应用背景，利用MATLAB语言对其进行设计与仿真.首先对汽车的运动原理进行分析，建立控制系统模型，确定期望的静态指标稳态误差和动态指标搬调量和上升时间，最终应用MATLAB环境下的.m文件来实现汽车运动控制系统的设计。其中.m文件用step函数语句来绘制阶跃响应曲线，根据曲线中指标的变化进行P、PI、PID校正；同时对其控制系统建立Simulink进行仿真且进行PID参数整定。仿真结果表明，参数PID控制能使系统达到满意的控制效果，对进一步应用研究具有参考价值，是汽车运动控制系统设计的优秀手段之一。关键词：运动控制系统 PID仿真稳态误差最大超调量

一、课程设计任务 1. 问题描述如下图所示的汽车运动控制系统，设该系统中汽车车轮的转动惯量可以忽略不计，并且假定汽车受到的摩擦阻力大小与汽车的运动速度成正比，摩擦阻力的方向与汽车运动的方向相反，这样，该汽车运动控制系统可简化为一个简单的质量阻尼系统。根据牛顿运动定律，质量阻尼系统的动态数学模型可表示为： ???==+v y u bv v m 系统的参数设定为：汽车质量m =1000kg ，比例系数b =50 N ·s/m ，汽车的驱动力u =500 N 。根据控制系统的设计要求，当汽车的驱动力为500N 时，汽车将在5秒内达到10m/s 的最大速度。由于该系统为简单的运动控制系统，因此将系统设计成10％的最大超调量和2％的稳态误差。这样，该汽车运动控制系统的性能指标可以设定为：上升时间：t r <5s ；最大超调量：σ％<10％；稳态误差：e ssp <2％。 2.设计要求 1．写出控制系统的数学模型。 2．求系统的开环阶跃响应。 3．PID 控制器的设计（1）比例（P ）控制器的设计（2）比例积分（PI ）控制器的设计（3）比例积分微分（PID ）控制器的设计利用Simulink 进行仿真设计。二、课程设计内容 1.系统的模型表示

线控-两轮平衡车的建模及控制研究

线性系统理论上机实验报告题目：两轮平衡小车的建模与控制研究

完成时间：2016-11-29 1.研究背景及意义现代社会人们活动围已经大大延伸，交通对于每个人都十分重要。交通工具的选择则是重中之重，是全社会关注的焦点。随着社会经济的发展，人民生活水平的提高，越来越多的小汽车走进了寻常百姓家。汽车快捷方便、省时省力，现代化程度高，种类繁多的个性化设计满足了不同人的需求。但它体积大、重量大、污染大、噪声大、耗油大、技术复杂、使用不便、价格贵、停放困难，效率不高，而且还会造成交通拥堵并带来安全隐患。相比之下，自行车是一种既经济又实用的交通工具。中国是自行车大国，短距离出行人们常选择骑自行车。自行车确实方便，但在使用之前需要先学会骑车，虽然看似简单，平衡能力差的人学起来却很困难，容易摔倒，造成人身伤害。另外，自行车毕竟不适宜长距离的行驶，遥远的路程会使人感到疲劳。那么，究竟有没有这样一种交通工具，集两者的优点于一身呢？既能像汽车一样方便快捷又如自行车般经济简洁，而且操作易于掌握，易学又易用。两轮自平衡车概念就是在这样的背景下提出来的。借鉴目前国外两轮自平衡车的成功经验，本文提出的研究目标是设计一款新型的、结构简单、成本低的两轮自平衡车，使其能够很好地实现自平衡功能，同时设计结果通过MATLAB进行仿真验证。

2.研究容自平衡式两轮电动车是一个非线性、强耦合、欠驱动的自不稳定系统，对其控制策略的研究具有重大的理论意义。我们通过分析两轮平衡车的物理结构以及在平衡瞬间的力学关系，得到两轮车的力学平衡方程，并建立其数学模型。运用MATLAB和SIMULINK仿真系统的角度θ、角加速度?θ、位移x和速度的?x变化过程，对其利用外部控制器来控制其平衡。 3.系统建模两轮平衡车的瞬时力平衡分析如图1所示。下面将分析归纳此时的力平衡方程[1-3]，并逐步建立其数学模型。对两轮平衡车的右轮进行力学分析，如图2所示。

大学毕业设计---基于arm的两轮自平衡车模型系统设计课程

中北大学课程设计说明书学生姓名: *杰学号：* 学院: 仪器与电子学院专业: * 题目: 基于ARM的两轮自平衡车模型系统设计指导教师：李锦明职称: 副教授 2015 年1 月30 日

摘要近年来，两轮自平衡车的研究与应用获得了迅猛发展。本文提出了一种两轮自平衡小车的设计方案，采用陀螺仪L3G4200以及MEMS加速度传感器MMA7260构成小车姿态检测装置，使用卡尔曼滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合。系统选用飞思卡尔32位单片机Kinetis K60为控制核心，通过滤波算法实现车身控制，人机交互等。整个系统制作完成后，各个模块能够正常并协调工作，小车可以在无人干预条件下实现自主平衡。同时在引入适量干扰情况下小车能够自主调整并迅速恢复稳定状态。关键词：两轮自平衡陀螺仪姿态检测卡尔曼滤波数据融合

目录 1 课程设计目的 (1) 2 设计内容和要求 (1) 2.1 设计要求 (1) 2.2 研究意义 (1) 2.3 研究内容 (2) 3 设计方案及实现情况 (2) 3.1 两轮平衡车的平衡原理 (2) 3.2 系统方案设计 (3) 3.3 系统最终方案 (6) 3.4 系统软件设计 (9) 3.5 电路调试 (16) 4 课程设计总结 (18) 参考文献 (19) 附录 (20) 致谢 (21)

1 课程设计目的（1）掌握嵌入式系统的一般设计方法和设计流程；（2）学习嵌入式系统设计，掌握相关IDE开发环境的使用方法；（3）掌握ARM的应用；（4）学习掌握嵌入式系设计的全过程； 2 设计内容和要求 2.1 设计要求（1）学习掌握基于ARM Cortex-M4内核的Kinetis K60系列单片机的工作原理及应用；（2）学习掌握加速度计、陀螺仪的工作原理及应用；（3）设计基于PID控制的两轮自平衡车模型系统的工作原理图及PCB版图； 2.2 研究意义近年来，随着电子技术的发展与进步，移动机器人的研究不断深入，成为目前科学研究最活跃的领域之一，移动机器人的应用范围越来越广泛，面临的环境和任务也越来越复杂，这就要求移动机器人必须能够适应一些复杂的环境和任务。比如，户外移动机器人需要在凹凸不平的地面上行走，有时环境中能够允许机器人运行的地方比较狭窄等。如何解决机器人在这些环境中运行的问题，逐渐成为研究者关心的问题[1]。两轮自平衡机器人的概念正是在这样一个背景下提出来的，这种机器人区别于其他移动机器人的最显著的特点是：采用了两轮共轴、各自独立驱动的工作方式(这种驱动方式又被称为差分式驱动方式)，车身的重心位于车轮轴的上方，通过轮子的前后移动来保持车身的平衡，并且还能够在直立平衡的情况下行驶。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。两轮自平衡机器人自面世以来，一直受到世界各国机器人爱好者和研究者的关注，这不仅是因为两轮自平衡机器人具有独特的外形和结构，更重要的是因为其自身的本质不稳定性和非线性使它成为很好的验证控制理论和控制方法的平台，具有很高的研究价值。

智能车速度控制pid(电机闭环控制算法)

智能车速度控制pid（电机闭环控制算法）对于智能车的电机闭环控制算法，我之所以标题没有写上智能车电机PID闭环控制算法是因为PID 算法根本就不是特别好的适用于智能车这种变化很快的系统，对于智能车，电机的调速可以说是时时刻刻再进行调速控制的，我上面说描述的经典PID 算法，都是针对一些惰性系统，也就是说是变化比较慢的系统的，所以对于智能车的电机调速采用完完整整的PID 算法，是根本不可取的，及时采用了，你必须要经过一些变换和改进才能使用。以上的简述只是鄙人自己的看法，如有错误，请各位高手指正。现在估计您会疑问，PID 不适用于智能车的电机控制，那什么才适用呢？鄙人原来做过智能车，从鄙人本身的理解，P 算法控制电机，也就是比例控制是最好的，反应速度快，控制精度高，不存在积分和微分效应，非常适用于适用于控制周期短的系统，当然，对于一些特殊的逻辑控制算法，可能要采用PD算法，用微分来做补偿，防止震荡和超调。下面来说下电机控制算法从开始的加入到最终的确定的方法：当然这一切的前提就是安装了编码器，车速有反馈，只有加上编码器，有了反馈，才能组成一个闭环系统。当然您也可以加上码盘，或者霍尔开关等一切可以返回车速的东西都可以。（1）首先建议在车速比较慢的时候，采用PID 算法来控制电机，为什么开始要建议您采用PID 呢？主要是为了让您更加深刻理解PID 算法的精髓和调试步骤方法等，有助于以后对控制算法更加深入的研究和书写。调试PID 三个参数的方法，很多地方都提供了，我在这里简单的说下：首先将ID 参数都变为0，先调整P 比例参数，调整到速度基本上跟您给定的速度差不多，也就是说基本稳定在您给定的脉冲数，当然这个时候会非常的震荡，不要担心，接下来调整I，调整I 的结果就是震荡会消除很多，但是车速会变化缓慢，也就是说会有一些延迟，然后再调整D，调整D 的结果就是增强调节的灵活性和预见性，在给定速度变化的过程中，能够以一个平稳过渡来变换，而且速度可以长时间稳定在给定速度附近，然后PID 三个参数的基本范围就确定了，然后再根据实际的跑车来微调这些参数，当然在您调试PID之前，请仔细阅读PID 理论知识，这样有助于您的调试和理解，

Matlab汽车运动控制系统设计

1绪论 1.1选题背景与意义汽车已经成为人们日常生活不可缺少的代步交通工具，在汽车发达国家，旅客运输的60％以上，货物运输的50％以上由汽车来完成，汽车工业水平和家庭平均拥有汽车数量已经成为衡量一个国家工业发达程度的标志。进行汽车运动性能研究时．一般从操纵性、稳定性和乘坐舒适性等待性着手。但近年来．随着交通系统的日趋复杂，考虑了道路环境在内的汽车运动性能开始受到关注。因此，汽车运动控制系统的研究也显得尤为重要，在文中，首先对汽车的运动原理进行分析，建立控制系统简化模型，确定期望的静态指针(稳态误差)和动态指针(超调量和上升时间)。然后对汽车运动控制系统进行设计分析。从而确定系统的最佳静态和动态指针。 2 论文基本原理分析 2.1.1汽车运动横向控制（1）绝对位置的获得方法汽车横向方向的控制使用GPS(全球定位系统)的绝对位置信息。GPS信息的精度与采样周期、时间滞后等有关。为提高GPS的数据精度和平滑数据．采用卡尔曼滤波对采样数据进行修正。GPS的采样周期为200ms相对应控制的周期采用50ms。另外考虑通信等的滞后、也需要进行补偿，采用航位推测法(dead reckoning)解决此问题。通过卡尔曼滤波和航位推测法推算出的值作为汽车的绝对位置使用来控制车速、横摆角速度等车辆的状态量。GPS 的数据通过卡尔曼滤波减少偏差、通过航位推测法进行误差和迟滞补偿．提高了位置数据推算的精度。（2）前轮转角变化量的算出方法这里对前轮目标转角变化量(?δ)的算出方法作简要说明，横方向控制采用预见控制，可以从现在汽车的状态预测经过时间t p秒后的汽车位置，由t p秒后的预测位置和目标路径

双轮自平衡车设计报告

双轮自平衡车设计报告学院………….......... 班级…………………… 姓名………………..手机号…………………..姓名………………..手机号…………………..姓名………………..手机号…………………..

目录一、双轮自平衡车原理二、总体方案三、电路和程序设计四、算法分析及参数确定过程

一.双轮自平衡车原理 1.控制小车平衡的直观经验来自于人们日常生活经验。一般的人通过简单练习就可以让一个直木棒在手指尖上保持直立。这需要两个条件：一个是托着木棒的手掌可以移动；另一个是眼睛可以观察到木棒的倾斜角度和倾斜趋势（角速度）。通过手掌移动抵消木棒的倾斜角度和趋势，从而保持木棒的直立。这两个条件缺一不可，让木棒保持平衡的过程实际上就是控制中的负反馈控制。图1 木棒控制原理图 2.小车的平衡和上面保持木棒平衡相比，要简单一些。因为小车是在一维上面保持平衡的，理想状态下，小车只需沿着轮胎方向前后移动保持平衡即可。图2 平衡小车的三种状态 3.根据图2所示的平衡小车的三种状态，我们把小车偏离平衡位置的角度作为偏差；我们的目标是通过负反馈控制，让这个偏差接近于零。用比较通俗的话描述就是：小车往前倾时车轮要往前运动，小车往后倾时车轮要往后运动，让小车保持平衡。 4.下面我们分析一下单摆模型，如图4所示。在重力作用下，单摆受到和角度成正比，运动方向相反的回复力。而且在空气中运动的单摆，由于受到空气的阻尼力，单摆最终会停止在垂直平衡位置。空气的阻尼力与单摆运动速度成正比，方向相反。图4 单摆及其运动曲线

类比到我们的平衡小车，为了让小车能静止在平衡位置附近，我们不仅需要在电机上施加和倾角成正比的回复力，还需要增加和角速度成正比的阻尼力，阻尼力与运动方向相反。 5 平衡小车直立控制原理图 5.根据上面的分析，我们还可以总结得到一些调试的技巧：比例控制是引入了回复力；微分控制是引入了阻尼力，微分系数与转动惯量有关。在小车质量一定的情况下，重心位置增高，因为需要的回复力减小，所以比例控制系数下降；转动惯量变大，所以微分控制系数增大。在小车重心位置一定的情况下，质量增大，因为需要的回复力增大，比例控制系数增大；转动惯量变大，所以微分控制系数增大。二.总体方案 ■小车总框图

倒退行走式智能车速度控制算法设计本科设计说明

. 本科毕业设计（论文）题目：倒退行走式智能车速度控制算法设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部容。作者签名：日期：

学位论文原创性声明本人重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日

基于PLC的小车自动往返运动控制系统2

第一章概述 1完成本次循环工作后，停止在最初位置。其运动路线示意图如下图1-1所示。如图1-1 小车运动路线示意图第二章硬件设计 2.1 主电路图如图2-1为小车循环控制的主电路原理图。该电路图利用两个接触器的主触点KM1、KM2分别接至电机的三相电源进线中，其中相对电源的任意两相对调，即可实现电机的正反转，也可达到小车左右运行的目的。假设接通KM1为正转（小车右行），则接通KM2为反转（小车左行）。

图2-1小车循环控制的主电路原理 2.2 I/O地址分配如表2-1为小车循环运动PLC控制的I/O分配表。在运行过程中，这些I/O口分别起到了控制各阶段的输入和输出的作用，并且也使小车的控制过程更清晰明了，动作与结果显示更加方便直接。表2-1

2.3 I/O接线图如图2-2为小车循环运动PLC控制的I/O接线图。在进行调试过程时，在PLC模块上，当I0.0有输入信号，即按下SQ1；当I0.1有输入信号，也即按下SQ2，以此类推，I/O接线图就是把实际的开关信号变成调试时的输入信号。同理，输出信号也是利用PLC模块把小车的实际运动用Q0.0、Q0.1的状态表现出来。图2-2小车循环运动PLC控制的I/O接线图 2.4 元件列表如表2-2为小车循环运动PLC控制的元件列表。在本次设计中就是利用这些元件，用若干导线连接起来组成了我们需要的原理图、I/O接线图。表2-2

第三章软件设计 3.1 程序流程图如图3-1为小车循环运动PLC控制的程序流程图。小车在一个周期内的运动由4段组成。设小车最初在左端，当按下启动按钮，则小车自动循环地工作，若按下停止按钮，则小车完成本次循环工作后，停止在最初位置。首先小车位于初始位置，按下SB1启动后，小车向右行驶；当碰到行程开关SQ4，小车转向，向左行驶；碰到行程开关SQ2，小车再一次转向，向右行驶；碰到行程开关SQ3，小车又向左行驶，直到再次碰到SQ1，然后开始依次循环以上过程。若不按下停止按钮SB2则小车一直进行循环运动，若此时按下停止按钮SB2，小车又碰到行程开关SQ1，则小车回到初始位置。

两轮平衡车说明书

双轮自平衡车学校：德州学院学生：唐文涛焦方磊李尧指导老师：孟俊焕时间：二О一四年7 月10日～10 月 6 日共12 周

中文摘要两轮自平衡车是动态平衡机器人的一种。2008年我国奥运会的时候安全保卫工作使用过它,到今年两轮平衡车已经发展的相对成熟。在国家节能、降耗、环保、低碳、经济的方针政策下，两轮平衡车进行了资源整合、技术升级，在原来的两轮单轴式自平衡的基础上采取两轴双轮可折叠设计，两轮自平衡车具有运动灵活、智能控制、操作简单、驾驶姿势多样、节省能源、绿色环保、转弯半径为0等优点。适用于在狭小空间内运行，能够在大型购物中心、国际性会议或展览场所、体育场馆、办公大楼、大型公园及广场、生态旅游风景区、大学校园、城市中的生活住宅小区等各种室内或室外场合中作为人们的中、短距离代步工具。也是集娱乐、代步、炫酷为一体的，主打形象是汽车伴侣解决停车后几公里内的代步问题。两轮自平衡车主要由驱动电机、锂电池组、车轮、车身等组成。其工作原理：车体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微处理器计算出适当的指令后，驱动马达来做到平衡的效果。关键词：陀螺仪，动态稳定，折叠，驱动系统，平衡。 English abstract Two rounds of self-balancing vehicle is one of the dynamic balance of the robot. In 2008 the Olympic Games security work used it in our country, in the year to balance two rounds of car has developed relatively mature. In the national energy saving, consumption reduction, environmental protection, low carbon, economic policies and regulations, the two rounds of balance of resource integration, technology upgrades, in the original two rounds of single shaft type taken on the basis of self balancing two shaft double folding design, two rounds of self-balancing vehicle movement, flexible, intelligent control, simple operation and driving posture diversity, save energy, green environmental protection, the advantages of turning radius of 0. Apply to run in narrow space, can in a large shopping center, the international conference and exhibition venues, sports venues, office buildings, large parks and square, ecological tourism scenic spot, the university campus, city life in residential quarters and other indoor or outdoor situations as the medium and short distance transport of people. Is entertainment, walking, cool as a whole, the main image is car partner solve the problem of parking within a few kilometers after walking. Two rounds of self-balancing vehicle is mainly composed of drive motor, lithium battery pack, wheel, body, etc. Its working principle: the body's built-in precision solid-state gyroscope to judge the body's position, through sophisticated and high-speed central microprocessor