两轮自平衡小车姿态参数检测及实验研究(2)
和仿生学的多学科的综合高新技术 [13]。
移动机器人的研究始于 60 年代末期斯坦福研究院的 Nils Nilssen 和 Charles
Rosen 等人于 1966 年至 1972 年研造出了自主移动机器人 shakey ， 目的是研究应用人
工智能技术 ， 在复杂环境下机器人系统的自主推理 、 规划和控制 。 70 年代以后 ， 随着
计算机技术的应用和传感器技术的发展 ， 移动机器人研究出现了新的高潮 ， 从而促进
了移动机器人向多研究方向的发展。移动机器人按移动方式来分：轮式移动机器人 、
步式移动机器人 、 蛇行机器人 、 履带式移动机器人 、 爬行机器人等 ； 按控制体系结构
来分 ： 功能式 （ 水平式 ） 结构机器人 、 行为式 （ 垂直式 ） 结构机器人和混和式机器人 ；
按功能用途来分 ： 医疗机器人 、 军用机器人 、 助残机器人 、 清洁机器人等 ； 按作业空
间来分 ： 陆式移动机器人 、 水下机器人 、 无人飞机和空间机器人 。 本文主要研究的是
轮式移动机器人中的一种。
两轮自平衡小车的思想来源于倒立摆模型 ， 摆只能在平面内运动 ， 如果摆倒向左
边 ， 那么摆的底部就必须也向左面移动 ， 以保持平衡 ， 右边情况与左边类似 。 两轮自
平衡小车的情况与倒立摆相似，也需要类似的运动来保持摆车架的竖直平衡。
1.1.2 两轮自平衡小车在国外的发展
在两轮自平衡小车的研究上 [14]
，国外的专家和爱好者们取得了一系列的成果，以
下介绍国外几个比较先进的两轮自平衡小车：
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 的基于倒立摆的
小型自平衡两轮车模型 ， 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 。 其外观图如图 1.1 所示 。 研究人员通过陀螺仪和光电编码器测量的
数据，用线性状态反馈控制器来控制整个系统的平衡稳定。图 1.1 名为 joe 的基于倒立摆的小型自平衡两轮车模型
美国 Seway LLC 公司开发的 Segway HT 两轮平台电动车把人们从传统的 “ 三点平
衡 ” 和以低重心 、 大而稳的底盘设计来避免倾斜的束缚中解脱出来 ， 通过检测车体的
角度和角速度 ， 用适当的回复转矩来避免倾斜摔倒 。 系统利用５个惯性比率传感器 （ 陀
螺仪 ） 、２个倾角传感器、电机编码器和一些光学脚垫传感器把系统的状态提供给了
控制器，控制器通过运算确定输入给电机的能量大小。当倾斜时， 5 个惯性比率传感
器开始确定角度位置和角速度变化率，并在三个轴上提供偏航、倾斜和滚动的数据 。
当角度位置或角度变化率达到系统预先确定的值时 ， 控制器会给驱动器输出一个电流
信号，使其输出合适的力矩。如图 1.2 所示。1.1.3 两轮自平衡小车在国内的发展
台湾国立中央大学电机工程研究所在 2004 年利用模糊控制实现了一个两轮小车
的自动平衡控制。
中国科学技术大学研究出了自动平衡两轮逮捕电动车，在车体内嵌入式 cpu 的控
制下 ， 采集平衡传感器及速度 、 加速度传感器的数据 ， 通过一定的控制算法 ， 计算并
输出 PWM 信号控制两个电机的转矩 ， 使车体保持平衡并能 。 根据人体重心的偏移自动
前进、后退及转弯。
哈尔滨工程大学也有类似的双轮直立自平衡机器人 ， 该系统采用两块 Cygnal 公司
推出的 C8051 单片机和人机交互的上位机作为控制核心。车体倾斜角度检测采用 A D
公司推出的双轴加速度传感器 ADXL202 及反射式红外线距离传感器 ， 利用 PWM 技术动