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摘 要

两轮平衡机器人本身是一个不稳定的移动机器人，他的特征是：多变量、非线性、强耦合和参数不确定，正是如此，它是一个理想的平台来验证各种算法。同时它运动灵活、结构简单，适于在狭小的空间工作，有着广泛的应用前景。两轮平衡机器相比较传统机器人而言，它能完成各种复杂的操作，尤其是工作环境变化大、任务复杂的场合，如空间探索、地形侦察、危险品运输等。此外，还可以用于玩具、教育和服务机器人等领域。开展两轮自平衡机器人的研究对于提高我国在该领域的科研水平、扩展机器人的应用背景等具有重要的理论及现实意义。 

本文设计的两轮自平衡机器人由基本框架（车体）、两个平行的轮子、控制驱动电路、电源和左、右舵机组成。两个车轮装在结构框架的左右，两个舵机装在轮子侧面，回路电路控制器安放在中上部位，电源安装于电机的上面。系统以红外测距传感器和陀螺仪，用来识别两轮小车的现状，处于何种运动状态，通过核心处理器(STM32)的数据处理，计算出比较恰当的数值后，两个舵机转动从而达到使轮子往前或者往后的运动，这样使两轮机器人达到一个前后的平衡。两轮机器人通过使用两个轮子不同的速度来产生差别从而转弯。事实上，只要接通电源，又能够有足够的电力，两轮机器人就可以实现动态平衡。该系统机动性强且框架简单、占地比较小，可应用于某些比较特殊的地方。

就用来检测运动姿态的系统来说，独自使用陀螺仪或者是测距传感器，好像都不可以给我提供一个非常有用的方法解决小车的自平衡问题。本篇论文采取两种方法结合的方式来提高精度，中和两个传感器的误差，获得较准确的控制。

机器人的控制算法是实现运动平衡的核心，我的毕业论文用STM32当作中央处理器来实现信号的计算和对信号后续处理后的控制。依据误差的数据实现姿态调节。我就论文中使用到的运算方式做了一些学习，从而实现部分控制技术的掌握，对我在实验中有了很大的帮助。

关键词：倒立摆模型 姿态识别与控制 两轮机器人

The realization of two wheel robot balance control

Abstract

Two-wheeled self-balancing robot as an intrinsic, unstable wheeled mobile robot with multi-variable, nonlinear, strong coupling and parameter uncertain characteristics, which makes it become the ideal platform with kinds of control algorithm. At the same time it flexible movement, simple structure, suitable for working in narrow space, has a broad application prospect. Two-wheeled self-balancing robot can complete several rounds of robot was unable to complete the complicated movement and operation, especially suitable for the working environment change is big, complicated tasks, such as space exploration, such as terrain reconnaissance, transport of dangerous goods, in addition, can also be used for toys, education and service robots, etc. Two rounds of self-balancing robot study to improve the level of our country in the field of scientific research, to expand the application background of robot is of important theoretical and realistic significance.  

Two wheeled self-balancing robot is composed of basic frame (vehicle), two parallel wheels, control drive circuit, power supply and the left, the right motor. The bottom two parallel mounted on the frame, the two motors are respectively located in the two sides, the power installed on near to motor, control circuit is fixed in the upper part. System attitude sensors (gyroscopes, accelerometer) pitch state and state to monitor the change of body position, through high-speed central processing unit (STM32) to calculate the appropriate data and instructions, the motor produces forward or backward acceleration to achieve the effect of the balance body. Two wheeled self-balancing robot turn through two different speed motor. In principle, as long as the power to open and to maintain sufficient operating power, two wheeled self-balancing robot can automatically balance motion or rest. The system is flexible and has the advantages of simple structure, small size, suitable for some special occasions.

For attitude detection system, the gyro or accelerometer used alone, can not provide effective and reliable information to ensure the vehicle balance. This paper uses a simple complementary method to fuse the output signal of gyroscope and accelerometer, the dynamic error drift error and acceleration compensation of gyroscope meter, to get a better angle approximation.

Control algorithm is the core of motion control, this design with STM32 as the core processor to calculate and output control signal. Regulation is controlled according to the deviation of the proportional and integral. The system uses the control algorithms of the corresponding research, from the theoretical analysis of the integral control technology, and for the actual test system.

Key Words：Inverted pendulum model; Gesture recognition and control; Two wheeled self-balancing robot

目 录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1课题研究的背景和意义 2

1.1.1 课题背景 2

1.1.2 课题研究的意义 2

1.2两轮机器人的发展现况及未来趋势 3

1.2.1 两轮机器人的进程历史 3

1.2.2 两轮机器人的未来趋势 3

1.3课题研究所需完成的工作 3

第二章 自平衡原理 1

2.1单摆原理 2

2.1.1 单摆分析 2

2.1.2 单摆原理总结 2

2.2倒立摆 3

2.2.1 倒立摆非平衡分析 3

2.2.2 非平衡解决方案 3

2.3两轮平衡原理 3

2.3.1 两轮机器人的物理受力分析 3

2.3.2 建立平衡方程 4

2.3.3 系统函数 4

2.3.4 改进方案 5

第三章 硬件设计 6

3.1陀螺仪 7

3.2红外测距传感器 7

3.3舵机 7

3.4控制器模块 7

第四章 控制器的使用 10

4.1模数转换（ADC） 10

4.1.1 陀螺仪角度测量 10

4.1.2 加速度测量 10

4.2定时器 11

4.2.1 脉宽调制输出（PWM） 11

4.2.2 外部计数器 11

4.2.3 定时器 11

4.3信号处理 12

第五章 软件设计 12

5.1 主流程图 12

5.2 算法函数的分配 13

5.2.1 Angle Calculate函数 13

5.2.2 Angle Control函数 14

5.2.3 Speed Control Output函数 14

5.2.4 Speed Control函数 15

5.2.5 Motor Speed Out函数 16

5.2.6 Set Motor Voltage函数 18

5.2.7 Speed Measure函数 19

5.3参数说明 19

第六章 调试 20

6.1舵机的测试以及参数设置 21

6.1.1 多功能调试器 22

6.1.2 操作步骤 23

总结与展望 25

参考文献 26

致谢 28

附录 29

绪论

1.1课题研究的背景和目的

1.1.1课题背景

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