二轮自平衡小车设计开题报告

1. 研究目的与意义

背景：目前国内外的研究和发展状况：两轮自平衡小车自问世以来，迅速成为研究各种控制理论的理想平台，具有重大的理论意义，这要归功于她不稳定的动态性能和系统所具有的非线性。近年来，两轮自平衡小车的研究开始在美国、日本、瑞士等国得到迅速的发展。建立了多个实验原机型，提出来众多解决平衡控制的方案，并对原机型的自动平衡性能与运动特性进行了验证。通过对两轮自平衡系统的改造，可快速方便的应用到众多环境中去，如承载、运输 ，代步等。这其中蕴藏着巨大的商机，相应有些国外公司现在已经推出了商业化产品，并且已经投放到了市场。国外方面：在两轮自平衡小车的研究上，国外的专家和爱好者们取得了一系列的成果，以下介绍国外两个两轮自平衡小车：由美国科学家 david.p.anderson 研发的两轮自平衡机器人 nbot 基于倒立摆的小型自平衡两轮车模型，是由 hcllrobotcontroller进行控制的。其外观如图 1.1 所示；由瑞士联邦技术学院工业电子实验室的研究人员研制的名为 joe 机器人，是由 dsp 芯片进行控制的，它由车架上方所附的重物模拟实际车中的驾驶者。国内方面：我国在两轮自平衡机器人方面的研究也取得了一定的成就，西安电子科技大学研究出了自平衡两轮机器人，它是一种两轮式左右并行布置结构的自平衡系统。它利用伺服放大器 ads 作为控制器，选择两个 maxson 电机作为执行元件，采用自适应神经模糊控制器对小车这一非线性对象进行大范围控制，从而实现系统的自平衡；哈尔滨工业大学也有类似的双轮直立自平衡机器人，该系统采用 dsp 作为控制核心。车体倾斜角度检测采用加速度传感器和陀螺仪。利用 pwm 技术动态控制两台直流电机的转速。基于这些完备而可靠的硬件设计，使用了一套独特的软件算法，实现了该系统的平衡控制。

目的：两轮自平衡小车两轮共轴、独立驱动、车身重中心位于车轮轴上方，通过运动保持平衡，可以直立运动，因为特别的结构，它对于地形的变化有很强的适应能力，有着良好的运动性能，能够在比较复杂的环境里面的工作，和传统的轮式移动机器人相比较，两轮自平衡小车有着以下的几个优点：（1）能够实现在原地回转和任意半径的转向，有更加灵活易变的移动轨迹很好地弥补了传统多轮布局的缺点；（2）具有占地面积小的优点，能够在场地面积很小或者要求灵活运输的场合上使用；（3）车的结构上有很大的简化，可以把车做的更轻更小；（4）有着较小的驱动功率，能够让电池长时间供电，为环保型轻车提供了一种新的概念。

意义：两轮自平衡小车是一个集动态决策和规划、环境感知、行为控制和执行等多种功能于一体的综合复杂系统，其关键是在解决自平衡的同时，还能够适应在各种环境下的控制任务。通过运用外加速度传感器、超声波传感器、倾角传感器、防碰撞开关等，可以实现小车的跟踪、路径规划和自主避障等多种复杂的功能。还可以吧 gps 和惯性导航设备配备到小车上实现组合导航。所以，两轮自平衡小车是一个实现起来相对简单的复杂系统，受到世界各个国家的重视，具有较高的学术研究意义。正因为有了这些优点，两轮自平衡小车经过一定的改造就可以制造成战场机器人或者“保姆”机器人，具有广阔的应用前景。

2. 研究内容和预期目标

研究内容：

(1) 机器人本体设计：包括机械，重心调整，电气系统设计等，为进一步研究提供良好的平台；

(2) 信号调理及控制部分电路设计：陀螺仪输出信号需要经过进一步滤波放大，因此需要设计信号调理电路，同时控制核心需要构建相关输入输出模块及人际交互设备，因此需要对主控单元电路进行设计。同时还需要设计直流电机驱动电路。

3. 研究的方法与步骤

(1)系统原理阐述与分析，对小车的运动进行建模，分析陀螺仪与加速度计的特性并对滤波算法进行阐述，介绍 pid 控制器的设计。

(2)系统硬件设计，介绍两轮子平衡车硬件系统的组成与设计，主要介绍单片机最小系统、陀螺仪信号放大电路、电机驱动电路等。

(3)系统软件设计，介绍单片机初始化，滤波算法及控制算法，阐述各模块软件设计方法。

4. 参考文献

1、林永栋 孙涛. 二轮自平衡机器人姿态控制系统仿真研究; 计算机仿真, 2016,12 2、黎志宏 陈润恩 程晓东 王伟超. 水平陀螺结构独轮自平衡机器人研究; 中国机械工程,2016年6期3、孙亮 王嶷然 阮晓钢 于建均. 双轮自平衡机器人行走伺服控制算法; 控制工程,2009年2期4、王晓宇 闫继宏 秦勇 赵杰. 基于扩展卡尔曼滤波的两轮机器人姿态估计; 哈尔滨工业大学学报,2007,12 5、王平.独轮自平衡机器人的设计与控制研究, [硕士学位论文],杭州电子科技大学,20166、高彪. 基于双轮平衡小车的多智能体平台设计, [硕士学位论文],大连理工大学,20167、魏乐乐. 独轮自平衡车控制系统的开发,[硕士学位论文],浙江大学,20168、袁俊.两轮自平衡机器人的建模、控制与实验研究,[硕士学位论文],西安电子科技大学,20149、陈洁.基于Mindstorms NXT的两轮自平衡机器人的设计及实现,[硕士学位论文],东北大学,201310、贾钧翔. 双轮自平衡机器人控制方法研究与实现,[硕士学位论文],东南大学,2012

5. 计划与进度安排

1、2022.3.5-2022.3.20 查阅资料，撰写开题报告。2、2022.3.21-2022.3.31 硬件功能分析。3、2022.4.1-2022.4.30 设计原理图，编写软件程序。4、2022.5.1-2022.5.15系统调试及改进。5、2022.5.16-2022.5.31 整理毕业设计文档，撰写毕业设计论文。6、2022.6.1-2022.6.10 提交毕业论文，准备答辩。