1、16該彳俊坯攵幺冷Harbin Uni versity Of Science And Tech no logy科研訓練開題報告兩輪自平衡車系統設計學校：哈爾濱理工大學學院：自動化學院專業：電子信息科學與技術班級：電技11-1姓名：鄧敏學號：1112020103日期：2014.12.08項目名稱兩輪自平衡系統設計項目類型科研訓練起止時間2014 年 12 月8日 至 2014 年 12月 27日指 導 教 師姓名徐軍職務/職稱教授姓名馬靜職務/職稱副教授姓名劉燕職務/職稱講師一、立項依據1.1研究目的及意義近年來，兩輪自平衡小車的研究開始在美國、日本、瑞士等國得到迅速的 發展。建立了多個實驗原機

2、型，提出來眾多解決平衡控制的方案，并對原機型 的自動平衡性能與運動特性進行了驗證。通過對兩輪自平衡系統的改造，可快 速方便的應用到眾多環境中去，如承載、運輸、代步等。這其中蘊藏著巨大的 商機，相應有些國外公司現在已經推出了商業化產品，并且已經投放到了市場。兩輪自平衡小車兩輪共軸、獨立驅動、車身重中心位于車輪軸上方，通過 運動保持平衡，可以直立運動，因為特別的結構，它對于地形的變化有很強的 適應能力，有著良好的運動性能，能夠在比較復雜的環境里面的工作，和傳統 的輪式移動機器人相比較，兩輪自平衡小車有著以下的幾個優點：（1）能夠實現在原地回轉和任意半徑的轉向，有更加靈活易變的移動軌跡很好地彌補了傳

3、 統多輪布局的缺點；（2）具有占地面積小的優點，能夠在場地面積很小或者要 求靈活運輸的場合上使用；（3）車的結構上有很大的簡化，可以把車做的更輕 更小；（4）有著較小的驅動功率，能夠讓電池長時間供電，為環保型輕車提供 了一種新的概念；（5）機器人的平衡是個動態過程；機器人在平衡點附近不停 地變化進行調節以保持平衡；（6）重心的高度對小車運動和硬件設計的限制小。 多輪（三輪或以上）移動小車雖然可以穩定地平衡，可是重心過高則小車啟動或急 停時，有傾倒的危險。因此重心必須要求很低，設計時總是拉大小車的水平截 面積，降低高度。這樣會造成小車體積變大，質量增加，某些功能會受到限制。 兩輪自平衡移動小車卻

4、無這方面的約束，重心的高低引起的不平衡已經通過動 態平衡原理解決。因此重心的高低無嚴格限制，節省占地面積，可用在場地面 積較小或要求靈活運輸的場合；（7）驅動功率較小，為電池長時間供電提供了 可能，為環保輕型車提供了一種新的思路。鑒于這些特點，兩輪自平衡小車有 著相當廣泛的應用前景。兩輪自平衡小車是一個集動態決策和規劃、環境感知、行為控制和執行等 多種功能于一體的綜合復雜系統，其關鍵是在解決自平衡的同時，還能夠適應 在各種環境下的控制任務。通過運用外速度傳感器、角速度傳感器等，可以實 現小車的平衡自主前進。近十年來，兩輪自平衡機器人引起同外許多研究機構和機器人愛好者極大 關注，各種基于不同目的

5、、不同設計方案和控制策略的自平衡系統相繼而生。 在這方面國外的研究比較超前，研制出了一些具有代表性的機器人。設計出一款可以獨立行走的雙輪自平衡小車，一個集動態決策和規劃、環 境感知、行為控制和執行等多種功能于一體的綜合復雜系統，其關鍵是在解決 自平衡的同時，還能夠適應在各種環境下的控制任務。通過運用外速度傳感器、 角速度傳感器等，可以實現小車的平衡自主前進。1.2國內外研究現狀及發展動態兩輪自平衡小車自問世以來，迅速成為研究各種控制理論的理想平臺，具 有重大的理論意義，這要歸功于她不穩定的動態性能和系統所具有的非線性。早在1 986年，日本電通大學教授山藤高橋最先提出了兩輪自平衡機器人 的概念

6、，并制造了一個在導軌上的兩輪倒立擺機器人。這個基本的概念就是用 數字處理器來偵測平衡的改變，然后以平行的雙輪來保持機器的平穩。這款被 山藤高橋稱為平行自行車的機器人開創了兩輪自平衡機器人研究的先河。美國Segway LLC公司開發的Segway HT兩輪平臺電動車把人們從傳統的“三點平衡”和以低重心、大商穩的底盤設計來避免傾斜的束縛中解脫出來， 通過檢測車體的角度和角述度.用適當的回復轉矩來避免傾刳摔倒。 系統利用5 個慣性比率傳感器（陀螺儀）、2個傾角侍感器、電機編碼器和一世光學腳墊傳感 囂把系統的的狀態提供給了控制器，控制器經過運算確定輸入給電機的能量大 小。近十年來，兩輪自平衡機器人引起

7、同外許多研究機構和機器人愛好者極大 關注，各種基于不同目的、不同設計方案和控制策略的自平衡系統相繼而生。 在這方面國外的研究比較超前，研制出了一些具有代表性的機器人，國內的研 究基本上處于理論研究與實踐的初期，只開發出了少數的實驗原型機。中國科學技術大學自動化系和力學系多位教授、博導、博士、碩士研究生 和本科生聯合研制完成的科研成果，又名自平衡電動代步車，是實用的兩輪自 動平衡車，己能實用化，兩輪自平衡機器幾是將倒立擺原理移植到移動機器人 上的概念。關于倒立擺的研究多年來國內外已經研究非常成熟，其文獻也相當 之多，然而更重要的是如何將倒立擺有效地應用在移動機器人上。以上是國內外兩輪自平衡小車的

8、研究現狀，這些小車都對本課題的研究提 供了很好的指導作用。然而，這些機器人的有關資料中并沒有對機器人速度控 制的詳細介紹。二、項目研究內容、研究目標以及擬解決的關鍵技術問題2.1項目研究內容1）兩輪自平衡小車物理實體的設計，各部分之間的硬件連接，搭建。2）小車角速度傳感器，加速度傳感器對自身信息的采集，并實現采集的信 息對單片機進行傳送。3）單片機軟件的設計，實現對小車的信息采集控制。2.2研究目標設計一款可以獨立行走的雙輪自平衡小車， 一個集動態決策和規劃、環境感 知、行為控制和執行等多種功能于一體的綜合復雜系統， 其關鍵是在解決自平衡 的同時，還能夠適應在各種環境下的控制任務。 通過運用外

9、速度傳感器、角速度 傳感器等，可以實現小車的平衡自主前進。2.3擬解決的關鍵技術問題兩輪自平衡小車是一個集動態決策和規劃、環境感知、行為控制和執行等多種功能于一體的綜合復雜系統，其關鍵是在解決自平衡的同時，還能夠適應在各 種環境下的控制任務。通過運用外速度傳感器、角速度傳感器等，可以實現小車的平衡自主前進。技術關鍵： 測量小車的姿態、速度等； 使用處理芯片對 姿態信息進行處理； 使用控制芯片，用模糊控制方法控制小車。主要技術指 標：在一定角度內實現平衡，受外界一定干擾能自主恢復平衡等。兩輪自平衡機器人系統是一個復雜的機電系統， 設計兩輪自平衡機器人需要 設計其機械系統、電系統及軟件。而電系統是

10、包括控制處理器、傳感器、執行機 構和電源的一個復雜系統。軟件設計需設計機器人的工作流程。因此要設計一個 完整的兩輪自平衡機器人系統就需要對這些部分分別進行設計并整合，才能完成兩輪自平衡機器人系統的設計。系統設計包括軟件設計和硬件設計，采用卡爾曼算法的初值計算方法及實際應用，雙輪自平衡小車的PID控制。三、研究方案、技術路線3.1小車動態平衡的基本原理如下圖一所示:mm <>審熄i側正居綁筋JiRMME動態平術障理圖一動態平衡原理圖兩輪自平衡機器人系統是一個復雜的機電系統， 設計兩輪自平衡機器人需要 設計其機械系統、電系統及軟件。而電系統是包括控制處理器、傳感器、執行機 構和電源的一

11、個復雜系統。軟件設計需設計機器人的工作流程。因此要設計一個 完整的兩輪自平衡機器人系統就需要對這些部分分別進行設計并整合，才能完成兩輪自平衡機器人系統的設計。3.2兩輪自平衡機器人機械系統設計兩輪自平衡機器人結構上最顯著的特點在于其只有兩個輪子，而且這兩個輪子要同軸安裝分別驅動。當然，一個完整的兩輪自平衡機器人還包括控制處理器、 傳感器、執行機構、電源等期間。如何將這些系統部件合理地安裝在一起，需要 機械結構系統的設計。這部分的設計由具體安裝時根據不同模塊的輕重來安排設 計，總體上讓小車承受的重力基本平衡即可。3.3兩輪自平衡機器人電系統設計兩輪自平衡小車要完成其自平衡的功能， 首先需要有其感

12、知器官，感知自身 的姿態，例如，傾角、傾角速度等，得到這些信息需要選擇一些合適的傳感器。而傳感器檢測到的信號，需要一個數字處理中心來接收處理， 才能成為有用的信 息。因此還需要選擇一個嵌入式的處理器。 在嵌入式處理器中，不僅僅要處理來 自傳感器的信息，還要對這些信息綜合分析得出維持機器人平衡的需要采取的措 施，因此選擇的嵌入式處理器不僅僅擔負著信息采集的任務，還扮演著作為控制器的角色。最后，需要有執行機構在控制周期內去執行處理器做出的判斷。因此,在兩輪自平衡機器人電系統的設計中，處理器、傳感器、以及執行機構的選擇是 至關重要的。本設計中選用預計采用加速的傳感器， 角速度傳感器，進行采集小車當前

13、的 平衡狀況，再把這些信息傳送到主控制器 52單片機中。單片機對這些信息進行 實時的處理。再把這些信息的處理結果傳送給電機驅動器，控制電機轉速轉向， 由此來達到小車自身的平衡。由此可以看出小車的平衡過程是動態的。 具體設計 框圖二如示：51單片機電源模塊<-1電機驅動模塊1 傳感器模塊圖二系統框圖四、項目特色與創新之處特色：（1）能夠實現在原地回轉和任意半徑的轉向，有更加靈活易變的移 動軌跡很好地彌補了傳統多輪布局的缺點；（2）具有占地面積小的優點，能夠 在場地面積很小或者要求靈活運輸的場合上使用；（3）車的結構上有很大的簡 化，可以把車做的更輕更小；（4）有著較小的驅動功率，能夠讓電池

14、長時間供 電，為環保型輕車提供了一種新的概念；（5）機器人的平衡是個動態過程；機器人在平衡點附近不停地變化進行調節以保持平衡；（6）重心的高度對小車運動和硬件設計的限制小。多輪（三輪或以上）移動小車雖然可以穩定地平衡，可是重心 過高則小車啟動或急停時，有傾倒的危險。因此重心必須要求很低，設計時總是拉大小車的水平截面積，降低高度。這樣會造成小車體積變大，質量增加，某些 功能會受到限制。兩輪自平衡移動小車卻無這方面的約束， 重心的高低引起的不 平衡已經通過動態平衡原理解決。因此重心的高低無嚴格限制，節省占地面積， 可用在場地面積較小或要求靈活運輸的場合；（7）驅動功率較小，為電池長時間供電提供了可能，為環保輕型車提供了一種新的思路。創新之處：利用慣性技術、模糊控制使兩輪小車保持平衡，國內外都有一定 的研究。本作品旨在前人的研究基礎上，加上了自己的一些創新技術，使自己設 計的小車滿足一定場合的要求。創新點：使用 MEMS陀螺、加速度計來測姿、 測速等，采用模糊控制來控制小車，實現小車的平衡。五、進度安排1、 2014年12月08日目2、 2014年12月09日3、 2014