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摘要：在轮式机器人的领域内，两轮自平衡小车是其中一个非常重要的分支，小型化、简单化是它最主要的优点，一般工作在狭小和危险的空间内。同时又是非线性、欠驱动、强祸合系统，适合作为各种控制算法研究和验证的科学实验平台。本论文主要对两轮自平衡小车的控制方法进行研究，同时还在滤波器设计、软件实现方面进行了详细的阐述，并进行实验验证。
1.引言
两轮自平衡车具有运动灵活、节能环保以及结构和操作简单等优点，并且可以运行在各种复杂的环境中。无论是供游客在商场愉快购物，在小区公园提供市民游玩，还是给上班族提供便捷的交通工具，两轮自平衡车都可以发挥独特的优势。甚至应用到军事行动中，特种士兵可以驾驶两轮平衡车完成一些特殊任务。由于两轮自平衡车的车轮是在左右排列结构，平衡车系统是一个典型的强耦合、欠驱动、非线性的非完整系统，且运行环境也相对复杂，要考虑外界不确定干扰，在行驶过程中可能会遇到路面凹凸不平，车轮打滑等情况，这些情况都会影响其运稳定性。虽然两轮自平衡车结构并不复杂，但是系统的控制难度大且控制算法较复杂，很适合作为各种控制算法的研究平台。因此，两轮自平衡车不仅在市场中有很大的价值和前景，在验证或检验控制算法和控制理论上更是一个很好的实验平台。由此可见，两轮自平衡车的研究是具有很大的意义。
两轮自平衡小车系统是一种多变量、非线性的系统，融合了感知环境、运动控制和执行等多种功能。解决自平衡问题是两轮自平衡小车函待解决的问题。两轮自平衡小车的概念自从被提出之后，被世界各国科学家所重视。
2.工作原理
两轮自平衡小车由左右共轴平行布置的两车轮和车身组成，车轮由左右电机经减速机构驱动。通过加速度计和陀螺仪以及软件编码方法来反馈系统的状态，通过预先设定的控制算法来实时调节车轮转矩和转速，维持车体动态自平衡，从而完成控制目的。
两轮自平衡小车基本工作原理如图1所示。其中加速度计和陀螺仪分別用来测量车身倾斜角和倾斜角速度。经过AD采样将角度信息和角速度信息由模拟量转化为数字量，通过滤波算法获得和实际值比较接近的近似值，然后送入MCU进行计算处理。计算结果通过H桥驱动电路驱动左右电机，电机通过减速机构带动左右轮前进或者后退。同时通过软件编码的方法获得小车车轮速度和位置的近似信号，返回给单片机实现左右轮的闭环控制。遥控器通过无线模块可以实现机器人的转向。
3.滑模变结构控制器的设计及仿真
滑模变结构控制最重要的特点是其控制不连续性。一般线性控制器是基于线性化模型建立的，虽然容易实现，但只能在平衡点附近有较好稳定性。而两轮自平衡小车本身是个非线性系统，且运动环境也较复杂，设计具有较强的鲁棒性能的非线性控制器或智能控制器来控制小车，其系统性能会更好。滑模变结构控制可按照系统运行状态去调节最优控制律，目的是让系统能保持滑动模态运动，即在滑模面附近运动。因此本章采用基于指数趋近律的滑模变结构控制器对小车系统进行设计与仿真。
4.结论
两轮自平衡小车作为一种多变量系统，是轮式移动机器人的一个非常重要分支，两轮自平衡小车除了能够适应特定的环境之外，而且还能够在一些复杂的环境下工作，能体现它良好的适应性。具有很好的前景。控制算法是两轮自平衡车的重中之重，也是本文中的主要研究工作。滑模控制可以对小车系统实现稳定平衡控制，但系统中会伴随着抖动现象，影响系统精确控制，严重会造成系统的报坏。本文通过结合模糊控制的优势设计自适应模糊滑模控制器可以削弱滑模控制存在的抖动，并且能够有效的控制小车平衡。
参考文献
[1] 杨凌霄， 李晓阳. 基于卡尔曼滤波的两轮自平衡车姿态检测方法[J]. 计算机仿真， 2014， 31（006）：406-409.
[2] 张吉昌， 程凯， 郑荣儿. 单轴双轮自平衡车姿态检测方案设计[J]. 中国海洋大学学报（自然科学版）， 2009（S1）：467-470.
[3] 周牡丹， 康恺， 蔡普郎，等. 两轮自平衡车控制系统的设计与实现[J]. 自动化技术与应用， 2014， 33（10）：5.
[4] 刘二林， 姜香菊. 基于PD算法的两轮自平衡车直立控制[J]. 自动化与仪器仪表， 2015（1）：203-206.
注.经费支持：衢州学院实验室开放项目（KFXM202007）
1.引言
两轮自平衡车具有运动灵活、节能环保以及结构和操作简单等优点，并且可以运行在各种复杂的环境中。无论是供游客在商场愉快购物，在小区公园提供市民游玩，还是给上班族提供便捷的交通工具，两轮自平衡车都可以发挥独特的优势。甚至应用到军事行动中，特种士兵可以驾驶两轮平衡车完成一些特殊任务。由于两轮自平衡车的车轮是在左右排列结构，平衡车系统是一个典型的强耦合、欠驱动、非线性的非完整系统，且运行环境也相对复杂，要考虑外界不确定干扰，在行驶过程中可能会遇到路面凹凸不平，车轮打滑等情况，这些情况都会影响其运稳定性。虽然两轮自平衡车结构并不复杂，但是系统的控制难度大且控制算法较复杂，很适合作为各种控制算法的研究平台。因此，两轮自平衡车不仅在市场中有很大的价值和前景，在验证或检验控制算法和控制理论上更是一个很好的实验平台。由此可见，两轮自平衡车的研究是具有很大的意义。
两轮自平衡小车系统是一种多变量、非线性的系统，融合了感知环境、运动控制和执行等多种功能。解决自平衡问题是两轮自平衡小车函待解决的问题。两轮自平衡小车的概念自从被提出之后，被世界各国科学家所重视。
2.工作原理
两轮自平衡小车由左右共轴平行布置的两车轮和车身组成，车轮由左右电机经减速机构驱动。通过加速度计和陀螺仪以及软件编码方法来反馈系统的状态，通过预先设定的控制算法来实时调节车轮转矩和转速，维持车体动态自平衡，从而完成控制目的。
两轮自平衡小车基本工作原理如图1所示。其中加速度计和陀螺仪分別用来测量车身倾斜角和倾斜角速度。经过AD采样将角度信息和角速度信息由模拟量转化为数字量，通过滤波算法获得和实际值比较接近的近似值，然后送入MCU进行计算处理。计算结果通过H桥驱动电路驱动左右电机，电机通过减速机构带动左右轮前进或者后退。同时通过软件编码的方法获得小车车轮速度和位置的近似信号，返回给单片机实现左右轮的闭环控制。遥控器通过无线模块可以实现机器人的转向。
3.滑模变结构控制器的设计及仿真
滑模变结构控制最重要的特点是其控制不连续性。一般线性控制器是基于线性化模型建立的，虽然容易实现，但只能在平衡点附近有较好稳定性。而两轮自平衡小车本身是个非线性系统，且运动环境也较复杂，设计具有较强的鲁棒性能的非线性控制器或智能控制器来控制小车，其系统性能会更好。滑模变结构控制可按照系统运行状态去调节最优控制律，目的是让系统能保持滑动模态运动，即在滑模面附近运动。因此本章采用基于指数趋近律的滑模变结构控制器对小车系统进行设计与仿真。
4.结论
两轮自平衡小车作为一种多变量系统，是轮式移动机器人的一个非常重要分支，两轮自平衡小车除了能够适应特定的环境之外，而且还能够在一些复杂的环境下工作，能体现它良好的适应性。具有很好的前景。控制算法是两轮自平衡车的重中之重，也是本文中的主要研究工作。滑模控制可以对小车系统实现稳定平衡控制，但系统中会伴随着抖动现象，影响系统精确控制，严重会造成系统的报坏。本文通过结合模糊控制的优势设计自适应模糊滑模控制器可以削弱滑模控制存在的抖动，并且能够有效的控制小车平衡。
参考文献
[1] 杨凌霄， 李晓阳. 基于卡尔曼滤波的两轮自平衡车姿态检测方法[J]. 计算机仿真， 2014， 31（006）：406-409.
[2] 张吉昌， 程凯， 郑荣儿. 单轴双轮自平衡车姿态检测方案设计[J]. 中国海洋大学学报（自然科学版）， 2009（S1）：467-470.
[3] 周牡丹， 康恺， 蔡普郎，等. 两轮自平衡车控制系统的设计与实现[J]. 自动化技术与应用， 2014， 33（10）：5.
[4] 刘二林， 姜香菊. 基于PD算法的两轮自平衡车直立控制[J]. 自动化与仪器仪表， 2015（1）：203-206.
注.经费支持：衢州学院实验室开放项目（KFXM202007）