1．目的及意义

1.1 研究目的及意义

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。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。两轮自平衡车作为一种新型的交通工具，集嵌入式技术和工业设计于一身，是现代电子科学技术的产物。它可以在狭小空间中工作，也可以作为短程的代步工具，因其具有能耗低、无污染、轻便、高效等特点，愈发受到人们的喜爱和关注。两轮自平衡车打破传统交通工具的机械结构，利用软件算法使其保持平衡，其控制算法灵活多样；两轮自平衡车是单片机应用、电路设计、算法编程、自动控制理论等内容的结合体，并且是研究控制算法以及传感器测试的实验平台。因而自平衡车的研究不仅具有理论研究意义和工程应用价值，还可以增强各个学科知识之间的交叉融合，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。

1.2 国内外研究现状

两轮自平衡电动车运动控制问题而言,它类似于一级倒立摆。而倒立摆的研究则要追溯到上个世纪50年代,当时MIT的控制专家们为了研究解决火箭和导弹的制导过程中的姿态测量与控制问题而设计了倒立摆系统,使它可用于测试和验证各种姿态控制算法的可靠性与可行性。两轮自平衡电动车可以看作是一种变质心的两轮自平衡机器人,最早提出两轮自平衡机器人构想的是日本电气通信大学的KazuoYamafUji教授,他在1986年就构思了一种被称为平行自行车的自平衡机器,这被认为是两轮自平衡电动车的起源,其控制电路和驱动电路安装在机体上部,利用轮上小杆与地面相接触来检测机体的倾角。1996年,日本Tsukuba大学的Ha和Yuta设计了一种两轮自平衡机器人,两轮分别由直流电机独立来驱动,利用陀螺仪这种惯性传感器来测量系统的姿态角,用编码器来测量车轮的转速,它可在二维空间中自由的运动。近几年,随着两轮自平衡机器人的研究热点不断井温,该项技术开始成为全球机器人控制技术的研究热点之一。美国、日本、瑞士的机构及公司相继开始了这方面的应用研究,已经在系统设计与实现、建模、自平衡控制策略、运动规划等方面取得了进展,更是在2001年美国发明家Dean Kamen发明了 一种新型的方便快捷的两轮交通工具"Segway",体现了两轮自平衡机器人的巨大市场应用潜力,驾驶者只需要向前或者向后倾斜改变重心就能操纵电动车,使其产生启动、加速、减速、转向和停止等常规行驶动作,还能在户外崎枢地地面和雨雪天气时使用它,可用于警务、娱乐、健身和旅游观光等。SegwayPT属于相当成熟的产品,它由智能传感器网络、驱动装置、机械装置和控制系统四部分组成,控制计算每秒可达到100次,电机的控制是1ms就进行一次调整,响应比人的所能感知的时间差快很多。当前国内研究现状而言,关于两轮自平衡机器人的研究也慢慢地火热起来,但与上面所述的发达国家,还是有不少的差距,主要有中国科技大学、北京理工大学、华中科技大学等高校科研单位参与,也取得了一些比较理想的成果。两轮自平衡电动车属于轮式机器人的范畴,占地面积小、结构比较简单、运动非常地灵活,特别适于在狭小危险的空间内工作;又由于它具有不稳定地动态特性,是一个非常典型的倒立摆运动系统模型,因此使它成为从事控制理论研究者们验证各种控制算法有效性的理想物理平台,能否成功地控制该系统,对我国控制理论的发展有着极其重要的意义。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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2.1设计的基本内容

本文研究内容有两轮自平衡小车的姿态检测算法，PID控制算法两方面。姿态检测算法通过互补滤波器融合姿态传感器(加速度传感器和陀螺仪传感器)数据，得到小车准确稳定的姿态信息，PID调节器则利用这些姿态信息，输出电机控制信号，控制电机的转动，使小车得以平衡。研究了车身姿态检测中陀螺仪与加速度传感器的互补特性，并根据其特性比较并设计滤波算法，包括卡尔曼滤波，互补滤波等常用滤波算法。PID控制算法的实现以及直流电机调速的研究。

2.2设计的目标

本课题设计了一款两轮自平衡小车，研究了车身姿态检测中陀螺仪与加速度传感器的 互补特性，并根据其特性比较并设计滤波算法，包括卡尔曼滤波，互补滤波等常用滤波算 法。PID 控制算法的实现以及直流电机调速的研究。具体包括：

通过电机驱动转动车轮，传感器、软件、微处理器及车体机械装置整体协调控制电动车平衡，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。小车还可以实现前进，后退，左右转等基本动作。

2.3 设计方案及措施

硬件部分：使用STM32f103为主控芯片，通过IIC接口读取陀螺仪传感器和加速度传感器的数据，再将两者数据融合测出小车的姿态，最终通过PID输出PWM电机控制信号，由电机驱动完成对电机的控制。此外，为了调试方便，除了设计了上述给模块外，还扩展了JLINK接口，使用的是SWD模式，用于仿真调试。