兩輪自平衡小車

摘要

近年來，兩輪自平衡電動小車以其行走靈活、便利、節能等諸多特點得到了很大的發展。目前，國內外有很多這方面的研究，而且有了相應的產品，SEGWAY就是典型的代表。兩輪自平衡小車運動控制的關鍵是小車平衡的控制，在參考了大量國內外相關文獻后，本文設計并制作了一臺基于體感識別技術的兩輪自平衡小車，通過3D攝像頭識別人體肢體的動作，控制小車完成相應的動作，具體動作有前進、后退、停止、左轉彎、右轉彎。本設計以陀螺儀和加速度計作為傳感器，采用32位ARM作為主控制器，通過電機驅動電路驅動直流電機實現兩輪自平衡小車的姿態控制。

控制器通過AD讀取傳感器的信號，經過濾波算法濾波后進行數據的融合得到小車的姿態，控制算法根據小車的姿態計算出PWM信號，再通過閉環反饋控制，使小車穩定運行。

經過制作和調試，兩輪自平衡小車可以穩定運行，具有很強的抗干擾能力和對復雜路面的適應能力，能夠很好的完成動作控制。

關鍵字：自平衡；陀螺儀；加速度傳感器；3D

1 緒論

本章簡要介紹了兩輪自平衡小車的研究意義和國內外的研究現狀，并說明了本論文各章節所講述的主要內容。

1.1兩輪自平衡小車的研究意義

機器人技術一直以來都代表了面向未來的前沿技術，涉及技術范圍廣，如通訊技術、計算機技術、人工智能技術、微電子技術、控制技術、通信技術、傳感器技術、數學方法和仿生學等，是一個多學科的綜合高新技術。兩輪自平衡機器人自面世以后，迅速成為研究各種控制理論的理想平臺，理論意義重大。

兩輪自平衡小車兩輪在一條軸線上，分別由兩個電機驅動，車子中心位于車軸上方，通過車子前后運動保持平衡，可以直立行走，原地轉彎。由于特有的結構，兩輪自平衡小車運動靈活，適應地形變化能力強，可以在一些復雜環境里工作，這是傳統三輪或四輪小車所不能做到的。兩輪自平衡小車動力學方程是一嚴重自不穩、多變量、時變、具有參數不確定性的非線性高階方程，因而是一個高度不穩定兩輪機器人。在運動學方程中得非完整性約束下，小車不僅要完成平衡控制，還要完成自主移動和路徑跟蹤等多重控制任務，這給控制理論提出了很大的挑戰，是檢驗各種控制方法處理能力的典型裝置。