两轮平衡小车是移动机器人在现实生活中的实际应用。移动机器人的研究涉及到的领域有计算机技术、软件技术、微电子技术，涉及到的学科有自动控制原理、现代控制理论、C语言，电路等。由于涉及较广，研究难度大，但是技术含量高，对人才的需求量大，所以可以说机器人的发展可以代表一个国家的综合国力。

两轮平衡小车也是轮式移动机器人的一种，能够根据小车本体倾斜的角度而使电机的加速度做出相应的调整从而保证小车的平衡。两轮小车的模型来自于倒立摆，具有倒立摆的不确定性，非线性和强耦合的特点。所以两轮自平衡小车对于检验各种控制算法具有重要的意义。

在汽车等各种机动车盛行的当下，机动车工业带来了严重的环境污染问题，交通问题和能源问题，如图1-1所示：

图1-1 汽车发展所带来的问题

1。2国内外研究现状

1。2。1国外研究现状

1。2。2国内研究现状

1。3两轮平衡小车的研究现状分析

第二章 两轮自平衡小车的基本原理与硬件设计

2。1两轮平衡小车平衡的基本原理

为了实现对一个控制器进行准确和定量的分析设计，提升控制器对小车整个系统的控制能力，我们必须先对被控对象进行数学建模。而对于两轮平衡小车系统来说，由于系统具有复杂性、非线性、不稳定性、时变性，会相应的产生随动和鲁棒性等问题，因此对其进行受力分析并建立数学模型至关重要。对系统分析的参数越精确，得到的系统模型就越准确，从而使得系统的控制效果更好[3]。

两轮自平衡小车系统主要由车轮、电机和车体三部分组成。由于电机固定在车体上，因此，也可以将电机和车体看做一个整体，统称车体；车轮安装在电机轴上，可以转动。两轮平衡车和单级倒立摆的力学模型不同，其中单级倒立摆是靠外力实现平衡，而平衡车系统是依靠自身的电机实现扭矩输出来达到系统平衡[4]。车轮由电机带动，能够输出转矩，是主动机构；而车体本身是随动机构。要实现小车自平衡，就要控制电机适时正反转，以输出合适的转矩以维持小车的平衡。论文网

图2-1 小车样机

如图2-1所示，为所设计的小车样机。很明显，在不采取任何控制措施的条件下，小车在垂直的时候突然放开，必然会倒下。如果想让小车保持直立姿势，就必须很好的控制小车的重心，从而使得小车实现平衡。

1。静止时：小车重心落于左、右俩轮与地面接触点的连线中心位置，则小车保持平衡不动。此时，车轮不需要做任何动作就可以达到平衡的要求。

2。前倾时：车身重心偏前，则车身将会向前倾斜直至小车倒地，若要保持小车平衡，必须控制车轮前进，使得支撑点前移到与车体再度重合，才能保持平衡。

3。后倾时：车身重心偏后，则车身将会逐渐向后倾斜直至小车倒地，与前倾时相同。必须控制车轮倒退，使得支撑点后移到与车体再度重合，才能保持平衡。

图2-2 平衡过程分析

根据以上分析可绘制出如图2-2所示的流程图，想要确保小车的稳定，必须先要知道小车倾斜的方向以及角度，然后在以此为依据来调整电机的前进方向以及加速，具体的数值需要根据小车倾斜的角度而定[5]。

2。2两轮平衡小车设备的选型

2。2。1主板的解析

图2-3 STM32F103C8T6为主控器的开发板

如图2-3所示，小车使用的是基于MDK5。1的STM32F103C8T6主控芯片，STM32即基于ARM核心的32位微控制器，F即通用类型，103即增强型，C即48引脚，T即LQFP封装，6即适宜工作在-40℃到85℃。STM32F103C8T6拥有最高为72MHZ的工作频率，从64k或128k字节的闪存程序存储器，2。0-3。6伏供电和I/O引脚，4-16MHz晶体振荡器，产生cpu时钟的PLL，2个12位模数转换器（多达16个输入通道），7通道DMA控制器，支持的外设有：定时器、ADC、SPI、IIC和USART,多达80个快速I/O端口，16个外部中断（均可容忍5V信号），多达7个定时器，9个通信接口，2个IIC接口，3个USART接口，2个SPI接口，CAN接口，USB2。0全速接口[6]。