基于PID的两轮自平衡机器人的实现

序号：编码：

第九届“挑战杯”

河南省大学生课外学术科技作品竞赛

作品申报书作品名称：基于PID的两轮自平衡机器人的实现

学校全称：郑州大学

个人申报者姓名

（集体名称）：eXtreme Control Group(XCG)

类别：

□自然科学类学术论文

□哲学社会科学类社会调查报告和学术论文

■科技制作

□小发明创造

说明

1、申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。

2、申报者在填写申报作品情况时只需根据个人项目或集体项目填写A1或A2表，根据作品类别（自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作）分别填写B1、B2或B3表。所有申报者可根据情况填写C表。

3、表内项目填写时一律打印，此申报书可复制。

4、序号由第九届“挑战杯”河南省大学生课外学术科技作品竞赛指导委员会填写，编码由各高校根据《第九届“挑战杯”河南省大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书编码说明》填写。

5、学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文（若是外文，请附中文本），请以4号仿宋体打印在A4纸上，附于申报书后；学术论文及有关材料在8000字以内，社会调查报告在15000字以内（文章版面尺寸14.5cm×22cm 左右）。

6、科技发明制作类作品必须要有1000字以内的作品说明，并附有研究报告、图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图或照片，也可附鉴定证书和应用证书等，打印或粘贴到申报书后。

7、各高校通过初评的作品（数量参照“作品数额分配方案”）各一式两份在规定时间内报第九届“挑战杯”竞赛指导委员会办公室（团省委学校部）。

8、作品申报书由各高校竞赛组织协调机构统一寄送，同时报送电子版。

9、其他参赛事宜请向本校竞赛组织协调机构咨询。

10、寄送地址：共青团河南省委学校部（郑州市金水路17号）

联系人：曹政赵杰肖继东

联系电话：（0371）65904813、65866849

邮政编码：450003电子信箱：hntswxxb@https://www.wendangku.net/doc/aa13655633.html,

A2申报者情况（集体项目）

说明：1．必须由申报者本人按要求填写；

2．申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历高低排列；

3．本表中的学籍管理部门盖章视为申报者情况的确认。

B3．申报作品情况（科技发明制作）

说明：1．必须由申报者本人填写；

2．本部分中的科研管理部门盖章视为对申报者所填内容的确认；

3．本表必须要有1000字以内的作品说明，并附有研究报告、图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图或照片，也可附鉴定证书和应用

证书等，打印或粘贴到申报书后。

4．作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。

C.当前国内外同类课题研究水平概述

说明：1.申报者可根据作品类别和情况填写；

2.填写此栏有助于评审。

D.推荐者情况及对作品的说明

说明： 1．由推荐者本人填写；

2．推荐者必须具有高级专业技术职称，并是与申报作品相同或相关领域的专家学者或专业技术人员（教研组集体）推荐亦可；

3．推荐者填写此部分，即视为同意推荐；

4．推荐者所在单位盖章仅被视为对推荐者身份的确认。

E．省评审委员会评审意见

F．学术论文、社会调查报告（附件）打印或粘贴处

G．科技发明制作类作品说明（附件）打印或粘贴处

两轮自平衡机器人是一种特殊的倒立摆式的移动机器人，这种机器人两轮共轴、独立驱动，车身重心倒置于车轮上方，通过调节左右电机输出使机器人车身保持动态平衡，可直立行走、并实现任意半径转向的运动。其适应地形变化能力强，运动灵活，可以胜任一些复杂环境里的工作。作为一种新兴的轮式移动机器人，它具有结构简单、运动灵活、驱动功率小等优点，可以装备成各种应用机器人，在各种复杂环境中完成工作任务。机器人是基于倒立摆模型的复杂非线性系统，是验证各种控制算法的理想平台。作为轮式移动机器人一个重要分支，适于在狭小和危险的环境下工作的特点，同时还可以作为一种运输和载人工具，有着重要的理论研究意义和广阔的应用前景。

两轮自平衡机器人的机械部分包括左右车轮、两层板子用于摆放电机及其驱动模块、电源和主控电路板等。两个车轮的轴线在同一直线上，分别由两个直流减速电机直接驱动；小车的重心位于整个车体的中间部分，并且高于车轮轴线；采用两轮式的最大优点是可以在小空间范围内灵活运动。在车身下部装有蓄电池、左右直流减速电机、速度传感器等，其中，速度传感器、直流减速电机与两个车轮在同一轴线上，速度传感器用于测量左右车轮的运动速度。板子上装有加速度传感器、角速度传感器、电机驱动模块、无线传输模块、微控制器等，其中微控制器是整个系统的核心。

系统采用的传感器包括加速度传感器、角速度传感器、速度传感器，通过它们可以测量和运算出小车的状态参数，其中车体倾角、车体倾角角速度分别由加速度传感器和角速度传感器直接测量；左右车轮的行驶速度由速度传感器测得，进而推算出车体的前进速度以及车体在地面的旋转角速度。将运行状态信息反馈给控制电路，通过计算得到输出脉宽调制信号和方向信号，经过光电

隔离，控制驱动电路，经过功率放大后直接驱动直流减速电机，实现对小车的平衡控制。小车行驶过程中，车体向前倾斜一个角度；当转弯时，电机施加左右车轮不同的力矩，使左右车轮速度出现偏差，从而实现转弯。

为了实现控制系统与PC之间的通信，系统配备了nRf24L01无线传输模块。该模块可以使PC在300米范围内对小车系统进行操作，同时可以通过无线模块将系统的各种状态信息发送到PC机，以供实验分析。整个系统又相当于一个无线测试平台。

系统硬件设计主要包括以下几个模块：

1.电源模块

系统需要的电压分别有18V、6V、5V等，分别给运放、传感器、单片机、电机驱动等供电。

2.微控制器模块

两轮自平衡机器人在行进过程中，通过AD模块实时采样传感器信号，计算出要加在电机上的电压并输出控制电机的控制信号（PWM以及方向信

号），完成这一功能的器件是ATmega128，同时它还要完成与无线模块之间的数据传输。

3.传感器信号采集与处理模块

为了获取小车的运动状态，需要各种传感器以及信号放大电路。微控制

器的AD模块采集放大后的传感器信号，作为控制系统的输入。

4.无线传输模块

研制移动式倒立摆的过程中，需要监测车体运行数据，在PC上进行分析研究并作为评价算法优劣的依据。在小车的运行过程中，指令的发送也要靠无线传输模块实现。

5.电机驱动电路

微处理器通过计算得出来的控制量使用不同占空比的PWM信号驱动功放电路，从而驱动直流减速电机转动。

一．两轮自平衡机器人的结构图：

二．两轮自平衡机器人的实物图：

三．两轮自平衡机器人的实现过程：

1.通过分析两轮自平衡机器人的运动规律，采用拉格朗日方程建立机器人的动力学模型，为机器人控制器的设计提供了理论依据。

2.基于传感器互补的原理，选择加速度传感器和陀螺仪测得车体倾斜的角度和角速度，并通过卡尔曼滤波得到较准确的角度和角速度值。

3.通过机器人底部的霍尔传感器测得电机的转速，即机器人运动的速度，并通过积分得到机器人的位移。

4.将前面2步得到的角度、角速度、速度和位移送入PWM，构成倾角环和速度环，即PID控制算法，计算得到电机驱动的数据，驱动电机。

5.大概以10ms为周期，重复2~4步，不断获取传感器数据，并通过PID算法得到电机的驱动数据，最终使机器人能够在原地、前进、后退、旋转和刹车的运动过程中保持平衡。

四．PID平衡控制器实验结果：

1.平衡控制实验

两轮自平衡机器人要实现各种运动和速度之前，首先要保持平衡。对于两轮自平衡机器人来说，由于它是一个本征不稳定的系统，需要设计控制器使其能够在平衡的基础上实现各种期望的运动和速度。所以平衡是两轮自平衡机器人控制的基础。将通过两轮自平衡机器人在静止时的动态平衡实验验证PID控制器在平衡控制方面的性能。

实验结果如图：

2.抗干扰实验

为了验证PID控制器控制机器人对外部扰动的抑制能力，进行了机器人的抗干扰性实验。

实验结果如图：

3.速度跟踪实验

两轮自平衡机器人在保持平衡的基础上，最终需要实现期望的运动，所以，在平衡与抗干扰性实验的基础上，还进行了机器人速度跟踪实验。

实验从上位机给控制器输入一个期望的速度(0.2m/s)，通过传感器测得机器人的前进速度，画出速度变化曲线。

实验结果如图:

以上是PID控制器控制机器人平衡、抗干扰和速度跟踪的实验结果，从图中可以看出，PID控制器在拐角处的调整时间很短,这一点从机器人x,y轴的速度曲线也可以看出，PID控制器在速度变化时的调整时间短，超调小。从以上分析可知，PID控制器对于速度的变化调整较快，超调小，实现的矩形轨迹也较好。