1。2 自平衡车系统目前的研究概况

1。2。1 国外研究概况

1。2。2 国内研究概况

1。3 论文的研究内容及各章节安排

1。3。1 论文的研究内容

（1）获取倾角

自平衡小车在运动过程中，由于外力的作用，会致使平衡小车偏离平衡状态，会与原来的垂直平衡位置产生一个倾角。我用到的平衡小车平台上面采用的传感器是MPU6050[8]，而MPU6050是将加速度计和陀螺仪集成在一起的，目前的方法是可以实现获取倾角的方案是利用加速度计或者陀螺仪来测量小车车体的倾角，但是达到的准确度都不是很高；我们利用的方案是将通过把加速度计获取的数据与陀螺仪获取的数据进行融合[9]，让得到的倾角更加接近真实值。

（2）稳定控制电机

自平衡小车的状态控制可以分为三个：①控制小车平衡，②控制小车速度，③控制小车方向，而其中最为重要的就是如何控制电机，来让电机转动，从而驱使小车达到平衡状态。

1。3。2 各章节安排

（1）第二章简要介绍自平衡小车车体采用的主要电子元件以及让小车能够自平衡的物理学平衡原理，正是这些外围电路的良好设计，才使得我们在开发这个自平衡方案时能够有了一个稳定的试验平台，同时也正是因为有了正确的物理理论的指导，才让我们研究的方向不会出现致命的偏差和错误。

（2）第三章主要是讲述系统的软件设计。两轮平衡小车之所以能够实现自平衡控制，主要是依靠这部分的设计，当小车向前倾斜，要维持小车平衡，就需要电机向前运动，给小车的重心一个向后的力，小车向后倾斜时也是这样的道理，但是电机的速度的控制并不是想怎样就怎样的，到底该让电机的速度达到多少，这就取决于小车到底倾斜了多少，如何获取两轮自平衡小车准确的倾斜角度？这里我们会利用卡尔曼滤波器[10]将通过传感器获取的加速度值和角速度值进行数据融合，以获取更为准确的角度，该怎样利用通过传感器获取的加速度值和角速度值来控制电机达到可以刚好让小车平衡的位置；小车的初始化流程，各部件的初始化作用是怎样的？都会在这一章一一讲述。

（3）第四章主要是讲述调试部分，控制系统能否快速准确的获取到小车的倾斜角度，会影响到小车的电机控制，电机应该达到多大的速度，才会满足小车平衡的条件，也就是刚好使小车达到平衡状态，在利用PID控制算法[11]时的参数需要进行不断调整，才可以让小车快速的进入平衡状态。

（4）第五章主要是讲述进行了两轮自平衡小车开发后的感受、收获，开发中所做的研究工作，以及平衡小车还需要提升的各个方面。

2  系统总体方案设计及构成

2。1 两轮自平衡小车的平衡原理说明

为了让两轮自平衡小车能够实现自主平衡，我们采用了倒立摆控制[12]原理。所谓倒立摆控制，就是使摆杆能够尽快地返回到垂直平衡位置，并且使之没有过大的震荡，尽量保持稳定状态。倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统[13]，与平衡小车有很多类似的地方，非常适用作为平衡小车的自主平衡控制原理。要能够让平衡小车保持直立平衡状态，需要两个条件：一个是小车的倾角可以实时准确的获取；其次小车的电机可以按照想要的方式控制。要想让小车快速稳定的保持平衡直立状态，这两个条件是缺一不可的。

控制小车车体平衡的直观经验来自于我们的日常生活中。一般人只要稍微适应一下，就可以将一根木棍托在手指上保持直立。这里是有两个条件的: ①。支持木棍的手指可以移动；②。控制者的眼睛可以及时获取到木棍的倾斜趋势以及倾斜角度。那么这样就可以通过手指的移动来抵消木棍的倾斜角度和运动趋势，从而可以使木棍保持直立状态。