摘 要

本论文主要研究了双轮自平衡小车的平衡原理以及PID控制原理。通过对双轮自平衡小车的一级倒立摆物理模型进行分析，得出了双轮自平衡小车姿态信息与电机占空比的联系，然后分别从小车的直立、速度、转向三个环节进行PID控制，实现了双轮自平衡小车的稳定平衡，同时开发了基于安卓平台的控制软件，该软件在控制双轮自平衡小车行走的同时还能够显示其实时数据，本论文对目前双轮机器的开发有重要的参考意义。本论文的研究结果表明，相对于传统的三轮与四轮机器人，双轮自平衡小车能够在狭小空间下完成工作，能够较好的实现静态和动态下的平衡。

本文的特色：给出了双轮自平衡小车的平衡控制研究方法，并且开发了能够实时显示双轮自平衡小车数据的软件。

关键词：自平衡小车；PID控制；Arduino；蓝牙控制；

Abstract

This paper mainly studies the balance principle and PID control principle of two-wheel self-balancing car. Through the analysis of the physical model of the first-order inverted pendulum of the two-wheel self-balancing car, the relationship between the attitude information of the two-wheel self-balancing car and the duty ratio of the motor is obtained. Then, respectively from the vertical, speed and steering to PID Control, and realized the stable balance of the two-wheel self-balancing car, and developed the control software based on android platform. The software can control the double-wheel self-balancing car while still displaying its real-time data. This paper has important reference value to the development of two-wheel self-balancing car. The results of this paper show that, compared with the traditional three-wheeled and four-wheeled robot, two-wheel self-balancing car can work in a small space more to achieve a better static and dynamic balance.
The characteristics of this paper: gives the two-wheel self-balancing car balance control research methods, and the development of real-time display of two-wheel self-balancing car data software.

Key Words：Self-balancing car; PID control; Arduino; Bluetooth control;

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与研究意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 5

1.3 本文主要工作 6

第2章 ARDUINO双轮自平衡小车硬件平台搭建 8

2.1引言 8

2.2 ARDUINO自平衡双轮小车总体架构 8

2.3 ARDUINO自平衡双轮小车各模块研究与设计 11

2.3.1 ARDUINO UNO主控板模块 11

2.3.2 MPU6050六轴传感器模块 11

2.3.3 直流减速电机模块 15

2.3.4 直流减速电机驱动模块 17

2.3.5 蓝牙模块 19

2.3.6 超声波模块 23

2.4 本章小结 24

第3章 加速度计与陀螺仪的数据融合 25

3.1 引言 25

3.2 车体动力学模型分析 25

3.2.1 倒立摆模型分析 25

3.2.2 物理模型建模与分析 26

3.3 角度数据融合原因 28

3.4 卡尔曼滤波数据融合 30

3.4.1 卡尔曼滤波原理 30

3.4.2 卡尔曼滤波算法 31

3.4.3 一阶互补滤波数据融合 33

3.5 本章小结 34

第4章 自平衡双轮小车控制研究 35

4.1 引言 35

4.2 PID控制原理 35

4.3 自平衡双轮小车PID控制 38

4.3.1 直立环控制 38

4.3.2 速度环控制 40

4.3.3 方向环控制 42

4.4 本章小结 43

第5章 基于安卓的蓝牙控制软件设计 45

5.1 引言 45

5.2 安卓主界面设计 45

5.3 安卓蓝牙服务 46

5.4 数据包解析 47

5.5 本章小结 48

第6章 总结与展望 49

绪论

研究背景与研究意义

双轮移动自平衡机器人是现在移动机器人领域中重要的组成部分，并且应用在各行各业的工作领域上。双轮移动机器人具有工作空间小、移动快捷方便、控制容易、工作环境广泛、成本价格低的特点，所以在很多的场景下都可以使用到双轮移动机器人，例如物流分派中心机器人处理货物、复杂地形机器人勘察等等，并且双轮移动机器人成为了处理这些任务的首要选择，由以上可知双轮移动机器人具有非常重要的研究价值。

双轮移动机器人，是一个集合了许多功能的综合系统。它包括了数据处理、环境感知、行为的控制、动态规划等等。它涉及到了许多的研究方向，包括计算机编程、传感器技术、单片机研究与开发、传感器数据融合、信息处理、通讯导航、自动控制原理以及人工智能等等许多的学科，是一个多功能的机电系统，也是目前科学技术发展最活跃的领域之一。目前，人工智能在不断的得到发展，而人工智能的一个重要组成部分就是智能机器人，所以机器人的许多功能不断得到改进与拓展，因此移动机器人的应用范围非常大的扩展了。不仅在现代化工业、智能农业、现代化医疗系统、服务领域中得到广泛的应用，而且在城市的安全、国防科技和空间探测领域得到很好的应用。从各种例子可以看出，移动机器人技术得到了世界各国的普遍关注。总的来说，双轮移动自平衡机器人不管是在理论研究还是在实际应用上都有着非常广泛的研究前景。

双轮移动自平衡机器人的模型是源自于倒立摆物理模型，是在倒立摆物理模型的基础上拓展开的。而传统的倒立摆模型是一个具有自然不稳定，非线性，多变量，高阶次，强耦合特点的系统，是研究自动控制理论重要的实验平台。双轮自平衡机器研究的关键在于实现双轮移动机器人的自平衡，这是研究该系统最为关键的一个地方。而实现双轮移动机器人的平衡关键在于其静止状态下与运动状态下的平衡控制，即在静止状态在能够保持平衡，同时在运动过程中，不管过弯还是直行，都能够保持平衡状态。在这个过程中，PID控制理论在直立控制、速度控制与方向控制上有着重要的作用，所以这也是研究PID控制的经典平台。

其次，双轮移动自平衡机器人的研究与开发设计到了单片机代码编程、传感器数据的获取、与上位机的蓝牙通信，是培养学生编程能力与动手能力的重要平台,是国内外大学的重点研究课题之一，因此研究该课题具有非常重要的理论与实际意义。

国内外研究现状

国外研究现状

早在1986的时候，日本电器通讯大学的教授Kazuo Yamafuji^[1]就在不断的探索过程中提出了一种站立式机器人的构想，这是目前公认的双轮移动机器人的思想起源，并且Kazuo教授在研究的过程中制作了出来，如图1.1所示。该站立式机器人总体质心在双轮之上，并且能够在一个平行导轨上前行且平衡，但是当时的科技手段使得该车只能向前直走不能转向。

2002年的时候，瑞士联邦工业大学的学者发明了一款双轮移动机器人，并将之命名为Joe^[2]，如图1.2所示。该双轮机器人是用DSP作为它的主控芯片，并且配置了陀螺仪和编码盘传感器用来姿态检测。该双轮移动机器人可以通过直流电动机驱动并实现转弯，最大能够在30°的斜坡上行走，最大车速可以达到1.5 m/s。并且该大学的分析了该平衡小车的物理模型，最后通过基于状态反馈的线性控制器控制该小车实现平衡。

图 1.1.2 机器人Joe

图 1.1 站立式机器人

同年时候，美国的Steve Hassenplug从他的公司Legos开发了一个两轮自平衡机器人，他并将其命名为Legway^[3]，如图1.3所示。该款双轮自平衡机器人使用了红外线距离传感器来检测姿态，同时加入了寻线传感器来实现寻线行走的功能。这一款双轮自平衡机器人主要是用来娱乐的，体积小也很容易控制。但是功能较少且平衡不稳定。

2002年时，Dean Kamen^[1]开发了世界上第一辆载人双轮移动平衡车，将这辆车命名为segwayPT，如图1.4所示。该平衡车使用了加速度传感器和角速度传感器来获得车体倾斜的姿态信息，并由大功率的电机来驱动平衡，人站在车上可以通过前倾和后摇来使得平衡车移动。后来该平衡车投入到赛格威公司生产并广泛运用在当地的警察局以及委员会，是平衡车理念一次重要的推广。这一次的segwayPT的大量生产可以说是平衡车历史上的一次风暴，加快了智能车的使用，是迄今为止轮式机器人最为重要的一次发明。

图 1.4SegwayPT机器人

图 1.3 Legway机器人

2004年时，由苹果公司第一代创始人史蒂夫创办的Homebrew俱乐部，其中两名成员波比和泰德，成功开发了一款双轮移动自平衡小车，命名为bender^[1]，如图1.5所示。该款平衡车整体框架比较大，主要由于在车体顶部安装了一个摄像头，能与上位机实现实时通讯，实现图像数据的处理从而起到壁障的功能。平衡性能非常稳定而且有着出色的摄像头壁障功能，所以得到很多人的喜爱。

在最近的2014，美国的一间机器人制造公司WowWee开发并推广使用了一块双轮可编程的移动服务机器人MIP^[4]，如图1.6所示。MIP身长17厘米左右，体积较为轻小，地盘由两个比较大的轮子组成。麻雀虽小肝胆俱全，该款服务型机器人能完成的功能有非常多，能够实现正常的端茶送水，还有一些家用功能。为什么这款机器人这么出名且受到器重的很大一部分原因是它提供了可编程接口，每个人都可以根据它来完成自己需要的功能，例如播放歌曲，聊天，完成指定路线等等。

图 1.2 MIP服务机器人

图 1.5 bender壁障机器人

图 1.7 Handle机器人

2017年，谷歌母公司 Alphabet 旗下机器人部门 Boston Dynamics，发布了一款腿和车轮融为一体的最新轮式机器人Handle^[6]，如图1.7所示。这款产品肉融合了腿式机器人的优点在轮式机器人中。因为地形原因，轮式机器人面对凹凸不平的地形或者面对着高出自己身高的障碍物时会显得非常没有办法。而Handle能够实现空中超强跳跃，旋转等类似于袋鼠的生理机制，非常合适于障碍物高的场景。这款机器人Handle高1.98米重82kg，有非常多的不同类型的传感器，整个车身有十几个驱动环节。Handle是双足双轮人形机器人，是专门应用于户外等非常复查的地形，能跑能跳，当然也可用于普通地形。整体骨架是依靠安装在四肢上面的传感器来保持平衡，车头部的传感器能够识别障碍物上面的QR的编码，通过头部上的雷达和立体传感器来进行避障功能及导航任务。这款服务型机器人是目前双轮移动机器人的一次冲击，一次重要的发明。

国内研究现状

在中国最早是由台湾国立中央大学^[4]再2003年的时候提出并设计了一款具有模糊控制理论的平衡车，如图1.8所示。该平衡小车是用过安装在车体上的陀螺仪和电码测速器得到姿态信息，在上交给PC端进行数据处理，将数据传送给安装在车体上的FPGA处理，FPGA处理数据得到的脉冲占空比输入到电机车轮上，从而控制小车的平衡，而且该车上配有摔倒缓冲装置，可以防止摔倒时小车的硬件损坏。但是该平衡机器人的缺点是要通过PC端进行数据处理，不能完成小车的自主控制，不过也是国内第一个研究平衡机器人的机构。

在2004年的时候，中国科技大学屠运武、张培仁等人研制了一款自平衡两轮代步电动车，并将之命名为Free Mover^[1]。这款平衡电动车的控制芯片使用了TI公司的产品TMS32OLF24O7A，该车姿态传感器是用水平仪和角速度传感器。当使用者站在车体上时，通过身体的前倾和后摇来控制该平衡车前进后退停止。该车的车速非常快，最高可达每小时10公里，但是介于当时市场并没有推广平衡车的使用以及该平衡车成本高，导致了之后并没有进一步的对车体进行改进，也没有在市场上进行售卖。