学科分类号（二级）云南师范大学大学生科研训练基金项目申请书项目名称项目类型申请金额项目类别申请者所在学院联系电话电子信箱指导教师云南师范大学教务处填表说明一、填写《申请书》前，请先查阅《云南师范大学大学生科研训练基金管理办法》和相关通知。

二、申请书各项内容，必须实事求是，表达要明确严谨，并要求用打印。

对于填写不合要求、内容含糊不清、字迹潦草者，不予受理。

三、项目类型：选填重点项目或一般项目。

四、项目类别：选填自然科学或社会科学。

五、“项目性质”和“项目来源”栏需在选项前方的括号内填入相应代码。

六、封面的项目编号由教务处统一编写。

七、打印格式：（一）纸张为A4大小，双面打印；（二）文中小标题：五号、黑体；（三）栏内正文：五号、宋体。

八、上报《申请书》一式二份（至少含一份原件）。

申请项目获准后，《申请书》由学校签署意见并保存一份，另一份返回学院存档。

基本信息一、研究目的（研究主攻方向、拟解决的主要问题，用一、两句话简洁明确说明。

）两轮自平衡小车智能控制研究。

二、立项依据（包括科学意义和应用前景，国内外研究概况、水平和发展趋势，学术思想，立论依据，特色或创新之处，主要参考文献目录和出处。

）环保流行于当下，自平衡车巧妙地利用地心引力使其自身保持平衡，并使得重力本身成为运动动能的提供者，载重越大，行驶动能也就越大，具有环保的特点。

驾驶者不必担心掌握平衡，车体自身的平衡稳定性，使得原本由于平衡能力障碍而无法骑自行车的人群也同样可以驾驭。

车身小巧，转弯灵活，可以在狭窄、大转角的工作场合作业。

自平衡车的种种优点使其可以作为一种快速、环保、安全、舒适、小巧灵活的绿色交通工具，是未来汽车和自行车的替代品，其市场的广阔性与经济效益不言而喻。

美国、日本、瑞士等国家在研究自平衡车领域起步较早，目前已经达到了先进的水平。

国内的一些高校以及科研机构也对其有所研究，并取得了一定的成绩。

美国Lego公司Steve Hassenplug设计了两轮自平衡传感式机器人Legway。

实现了电机差动驱动方式，遥控操作，可以向前，向后和转弯时保持平衡，可以实现U型回转和零半径转弯。

Legway是第一个自平衡机器人。

采用了模块化的结构设计，安装和拆卸都很方便。

日本村田制作所的科学家研发了骑独轮车的机器人“村田顽童”和“村田婉童”。

保持左右平衡通过转动机器人体内配备的惯性轮来实现。

瑞士联邦工学院的工业电子实验室为模拟人类行走设计并制造了一个基于倒立摆理论的两轮小车，该小车使用DSP控制，车架上方附有重物模拟实际车中的驾驶员，该小车使用陀螺仪和电机编码器得到的信息来稳定系统。

在国内哈尔滨工业大学设计的HITBot两轮自平衡小车，采用Accodometry方法，通过融合码盘和加速度级数据对位置进行估计，有效解决了两轮自平衡小车在运行过程中遇到打滑、越障、碰撞等异常事件而导致的位置估计失败的问题，解决了非系统测程法误差对机器人位置估计的影响，降低了加速度级固有漂移的不利影响，提高了两轮自平衡车的定位精度。

深圳职业技术学院等设计的两轮自平衡小车Opyanbot，应用最优控制与两轮差动等控制方法设计了控制器,提出了针对两轮自平衡机器人平衡和行进的新策略。

为了提高两轮自平衡机器人的控制效果,利用基于DSP数字电路的全数字智能伺服驱动单元IPM100分别精确控制左右轮电机,并利用上位机实时控制机器人的运动状态,提高了控制精度、可靠度和集成度,得到了很好的控制效果。

目前，国内外现有的两轮自平衡机器人一般都是以倒立摆的结构模型为基础，根据机器人质心位置是否可变，分为定质心和变质心两大类。

目前的研究热点是质心两轮自平衡机器人的研究。

对于两轮自平衡机器人位置与姿态信息的获取，一般选择陀螺仪、加速器计倾角传感器、测距仪等传感器，通过数据融合得到其位姿态信息。

软件是控制系统的灵魂，良好的控制算法是系统性能的保障。

两轮自平衡机器人本质上上具有强非线性的倒立摆系统，当前多采用极点配置法来进行平衡控制，例如台湾国立中央大学也采用模糊控制。

但是实验证明对于两轮自平衡小车而言模糊控制的变现更为优异。

这两种控制方法是目前普遍采用的两轮自平衡小车的控制算法。

[1]王效杰. 基于变结构控制的两轮自平衡小车系统设计与实现[D]. 西安电子科技大学，2006，10(13)：23-26.[2]冯智勇，曾瀚，张力等. 基于陀螺仪及加速度计信号融合的姿态角度测量[J]. 西南师范大学学报(自然科学版)，2011，24(4)：12-15.[3] 张志强. 基于STM32的双轮平衡车[J]. 电子设计工程，2011，35(2)：11-16.[4] 两轮自平衡小车系统制作研究蒋纬洋邓迟肖晓萍．西南科技大学工程技术中心智能机器人创新实践班绵阳（应用天地）2012年6第31卷第6期[5] 郑钧元．两轮自平衡机器人之平衡控制［D］．台湾：台湾国立中央大学，2003．[6] 一种新型两轮自平衡小车的建模与控制[M]丁凤．2012年01月11日三、研究内容（说明研究项目的具体内容）本设计中使用双环PID控制实现小车的平衡控制。

信号流图如图1所示。

图1 PID控制流图采用双环PID控制，内环为速度环，用于控制电机输出，使车轮转速与角度环输出值保持一致；外环为角度环，用于保持小车倾斜角度为0。

图中U为系统输入，即小车倾斜角度的目标值，该值一直为0。

X0为系统角度环输出值，即小车电机转速目标值。

X为轮子转速，Y为1小车实际的倾斜角度。

Z为系统扰动输入由于本设计采用锂电池供电，电源的输出功率有限，而且调整小车倾角时电机需要频繁起制动，对电源功率要求较高，会引起电源较大幅度的扰动，所以在本系统中主要的扰动为电源电压的扰动。

在PID控制的基础上，利用陀螺仪和加速度的角度融合方法，结合卡尔曼滤波器实现两轮自平衡机器人的角度检测。

PID调节则利用这些姿态信息，输出电机控制信号，控制电机的转动，使小车得以平衡。

四、研究方法和技术路线（包括理论分析、计算、实验方法和步骤及可行性论证，可能遇到的问题和解决办法）加速度计用于测量物体的线性加速度，加速度计的输出值与倾角呈非线性关系，随着倾角的增加而表现为正弦函数变化。

因此对加速度计的输出进行反正弦函数处理，才能得到其倾角值。

测量数据噪声与带宽的平方根成正比，即噪声会随带宽的增加而增加。

因此在设计卡尔曼滤波器时，首先要确定被测加速度的频率范围，然后再设计滤波器的参数，尽量使滤波器的带宽略高于被测频率，这样不仅有助于滤除高频干扰，而且也有利于降低系统噪声干扰。

但是如果要得到精确的倾角值，带宽就需要设置得比较小，而这时加速度计动态响应慢，不适合跟踪动态角度运动，如果期望快速的响应，又会引入较大的噪声。

再加上其测量范围的限制，使得单独应用加速度计检测小车倾角并不合适，需要与其他传感器共同使用。

陀螺仪的作用是用来测量角速度信号，通过对角速度积分，便能得到角度值。

陀螺仪本身极易受噪声干扰，微机械陀螺不能承受较大的震动，同时由于温度变化、不稳定力矩等因素，陀螺仪会产生漂移误差，并会随着时间的推移而累加变大，通过积分会使得误差变得很大。

因此，也不能单独使用陀螺仪作为本系统的倾角传感器。

（一）卡尔曼滤波过程在进行卡尔曼递归运算过程中，需要知道系统过程噪声协方差阵以及测量误差的协差矩阵，对卡尔曼滤波器进行校正。

在进行卡尔曼滤波过程中，需要根据实际情况调试与，可以使滤波后的波形平滑，毛刺少，并且与实际波形的相位差小。

在卡尔曼滤波后和信号处理好后，小车的重点就在控制上面。

小车的运动可以分为三个部分，即为站立、直线运动和转向。

由于车体运动分为这三个部分，并且这三个部分必须几乎同时控制，所以采用分时控制每一部分的方法，类似CPU时间分片。

程序的控制和信号处理都是在中端里面执行，通过设置全局变量来确定执行什么操作。

程序设置1毫秒中断，程序进入中断后，全局变量加1，判断全局变量的值，进入不同的执行部分，执行相应的操作。

中断服务程序的框架：其中，除了上述基本框架外，在每次进入中断后，首先执行卡尔曼滤波程序，并且执行单片机AD采样。

根据我们实际获得的经验，卡尔曼滤波是比较耗时间的，并且AD采样同样也是很消耗时间，如果在中断执行的总时间超过1毫秒，这将会影响卡尔曼滤波的效果，因此在这个方面，必须考虑AD所开的通道数目，当通道数目过多，将会导致一次中断服务程序执行的时间超过1毫秒。

这时可以选择增加中断定时时间，进而也就需要改变卡尔曼的。

在控制中，我们采用传统PID控制。

我们对直立控制采用PD控制，这主要原因是在直立控制中的主要要求就是快速性，因而舍弃积分单元。

对于速度控制采用PID控制，积分单元消除误差。

对于方向控制采用PD控制。

在直立控制过程中，P越大，车体抗干扰能力越强，但过大会导致车体振荡，这时可以通过加大微分参数消除振荡。

当P达到一定程度时，车体会抖动并不是振荡，这时调节D并不能消除抖动。

车体抖动的主要原因来源于卡尔曼滤波后的信号精度，当精度比较低时，P 过大，会直接放大信号的幅度，进而表现为车体的抖动。

在做车的速度控制过程中，速度控制的周期会影响车体的运行的稳定性。

在我们实际测试中当速度控制周期定为100毫秒时，低速运行车体比较稳定。

但当车速度给定为1.3m/s时，车体在转弯后，恢复平稳比较困难。

设置速度控制周期为200毫秒后，效果改善明显。

在方向控制中，我们使用分段PID控制。

这主要原因是车体在直道运行时，稍微偏离中心线对车体运行没有影响，也就是在知道上方向控制不需要太灵敏，太灵敏不利于车在直道的稳定和进入弯道的稳定。

相反，在弯道就需要方向控制的灵敏，灵敏度越高越好，但前提是保证车体的直立基本稳定。

在实际中，车体陀螺仪传感器的安装水平程度对车体运行是否稳定影响很大，安装越水平越好，越利于车的提速。

安装不水平会出现车载转弯的过程中加速和减速的现象。

1、由于传感器精度有限，而且选用的陀螺仪传感器存在过冲现象，导致小车抗干扰能力不足。

在改进过程中应当提高传感器进度，克服传感器过冲问题。

2、本设计中使用的电机齿轮间隙较大，导致小车在平衡点附近持续抖动。

改进中应当使用其他齿轮间隙较小的电机作为驱动。

3、本设计仅仅完成了小车的自平衡控制，功能过于单一。

在改进中可以加入转弯、自动导航等功能。

五、主要特色与创新点针对两轮自平衡车的稳定和运动过程中的控制问题，我们在信号处理的过程中引入卡尔曼滤波对信号进行处理并且采用传统的PID控制，将控制过程分为三个部分，即站立、直线运动和转向。

由于车体运动分为这三个部分，并且这三个部分必须几乎同时控制，所以采用分时控制每一部分的方法。

六、研究工作计划安排（在研究工作期限内，按月阐明研究工作具体内容）七、预期成果（成果提供的形式：论文、设计、产品研制、软件开发、专利、研究或调研报告、课件等。