摘要：两轮平衡车是倒立摆的延伸研究，是一种典型的非线性、强耦合、多变量、时变和自然不稳定的系统，其特性用于作为各种运动控制算法的验证平台。其次，两轮平衡车以其结构简单、节能环保、便携新颖的特点，深受人们大众的青睐。并在社会生活的各个领域均有广泛的使用，民用短途代步车，军用排雷机器人等等。

本文从两轮平衡车结构出发，分析车体在平衡瞬时的力学平衡，得到平衡方程式。由此计算并创建对应的数学模型，得到两轮车模型的状态空间表达式。设计了一种PID控制算法实现对于平衡车的姿态控制，采用PI算法控制平衡车速度，采用PD算法控制平衡车的转向。并通过MATLAB/Simulink进行一些理论仿真。然后设计了一款以Arduino为主控制器的平衡车，将以上控制算法在实际的系统中加以验证。系统中采用陀螺仪测量车体的姿态，加速度计采集三轴加速度信息，针对陀螺仪和加速度计的传感器数据收集的累积误差通过互补滤波和Kalman滤波算法的数据融合获取姿态信息；通过主控制器对采集数据结合控制算法，分别对平衡车的平衡、转向、速度控制采用PD控制、PI控制、PD控制并通过返回的PWM值调节电机来控制车轮速度。模拟仿真与实物实验验证了算法的有效性。 

关键词：平衡车  Arduino  互补滤波  Kalman滤波  PID控制

目录

摘要

abstract

1.绪论

1.1选题背景及意义

1.2 国内外研究情况分析

1.3论文内容

2.系统建模及分析

2.1设计方案的核心问题

2.2姿态信息获取分析

2.3控制算法的分析

2.4 系统设计方案的选择

2.5系统建模

2.6系统状态方程

3. 算法设计

3.1姿态数据融合算法设计

3.2编码器测速算法

3.3控制算法设计

3.4 PWM调速

3.5 PID控制算法仿真

4. 硬件的设计与实现

4.1 总系统设计

4.2 主控芯片

4.3电路稳压模块

4.4姿态获取模块

4.5 电机选择

4.6电机驱动模块

4.7 编码器模块

4.8 蓝牙模块

5. 系统软件设计

5.1总体程序设计

5.2卡尔曼滤波程序设计

5.3直立控制程序设计

5.4速度控制程序设计

5.5转向控制程序设计

5.6编码测速程序设计

6. 系统分析与调试

6.1 系统模型的分析

6.2 姿态信号获取调试

6.3 系统平衡环调试

6.4系统速度环调试

6.5系统转向控制调试

6.6系统遥控调试

7. 总结

参考文献

致谢