双轮自平衡小车小车开题报告.pdf

HarbinUniversityOfScienceAndTechnology
科研训练开题报告

两轮自平衡车系统设计

学校：哈尔滨理工大学

学院：自动化学院

专业：电子信息科学与技术

班级：电技11-1

姓名：邓敏

学号：1112020103

项目名称两轮自平衡系统设计

项目类型科研训练

2014年12月8日至2014年12月
起止时间
27日

指姓名徐军职务/职称教授

导
姓名马静职务/职称副教授
教

师姓名刘燕职务/职称讲师

一、立项依据

1.1研究目的及意义

近年来，两轮自平衡小车的研究开始在美国、日本、瑞士等国得到迅速的
发展。建立了多个实验原机型，提出来众多解决平衡控制的方案，并对原机型
的自动平衡性能与运动特性进行了验证。通过对两轮自平衡系统的改造，可快
速方便的应用到众多环境中去，如承载、运输、代步等。这其中蕴藏着巨大的
商机，相应有些国外公司现在已经推出了商业化产品，并且已经投放到了市场。
两轮自平衡小车两轮共轴、独立驱动、车身重中心位于车轮轴上方，通过
运动保持平衡，可以直立运动，因为特别的结构，它对于地形的变化有很强的
适应能力，有着良好的运动性能，能够在比较复杂的环境里面的工作，和传统
的轮式移动机器人相比较，两轮自平衡小车有着以下的几个优点：（1）能够实
现在原地回转和任意半径的转向，有更加灵活易变的移动轨迹很好地弥补了传
统多轮布局的缺点；（2）具有占地面积小的优点，能够在场地面积很小或者要
求灵活运输的场合上使用；（3）车的结构上有很大的简化，可以把车做的更轻
更小；（4）有着较小的驱动功率，能够让电池长时间供电，为环保型轻车提供
了一种新的概念；（5)机器人的平衡是个动态过程；机器人在平衡点附近不停
地变化进行调节以保持平衡；（6)重心的高度对小车运动和硬件设计的限制小。
多轮(三轮或以上)移动小车虽然可以稳定地平衡，可是重心过高则小车启动或
急停时，有倾倒的危险。因此重心必须要求很低，设计时总是拉大小车的水平
截面积，降低高度。这样会造成小车体积变大，质量增加，某些功能会受到限
制。两轮自平衡移动小车却无这方面的约束，重心的高低引起的不平衡已经通
过动态平衡原理解决。因此重心的高低无严格限制，节省占地面积，可用在场
地面积较小或要求灵活运输的场合；（7)驱动功率较小，为电池长时间供电提
供了可能，为环保轻型车提供了一种新的思路。鉴于这些特点，两轮自平衡小
车有着相当广泛的应用前景。
两轮自平衡小车是一个集动态决策和规划、环境感知、行为控制和执行等
多种功能于一体的综合复杂系统，其关键是在解决自平衡的同时，还能够适应
在各种环境下的控制任务。通过运用外速度传感器、角速度传感器等，可以实
现小车的平衡自主前进。
近十年来，两轮自平衡机器人引起同外许多研究机构和机器人爱好者极大
关注，各种基于不同目的、不同设计方案和控制策略的自平衡系统相继而生。
在这方面国外的研究比较超前，研制出了一些具有代表性的机器人。
设计出一款可以独立行走的双轮自平衡小车，一个集动态决策和规划、环
境感知、行为控制和执行等多种功能于一体的综合复杂系统，其关键是在解决
自平衡的同时，还能够适应在各种环境下的控制任务。通过运用外速度传感器、
角速度传感器等，可以实现小车的平衡自主前进。
1.2国内外研究现状及发展动态

两轮自平衡小车自问世以来，迅速成为研究各种控制理论的理想平台，具
有重大的理论意义，这要归功于她不稳定的动态性能和系统所具有的非线性。
早在1986年，日本电通大学教授山藤高桥最先提出了两轮自平衡机器人
的概念，并制造了一个在导轨上的两轮倒立摆机器人。这个基本的概念就是用
数字处理器来侦测平衡的改变，然后以平行的双轮来保持机器的平稳。这款被
山藤高桥称为平行自行车的机器人开创了两轮自平衡机器人研究的先河。

美国SegwayLLC公司开发的SegwayHT两轮平台电动车把人们从传统的
“三点平衡”和以低重心、大商稳的底盘设计来避免倾斜的束缚中解脱出来，
通过检测车体的角度和角述度．用适当的回复转矩来避免倾刳摔倒。系统利用5
个惯性比率传感器(陀螺仪)、2个倾角侍感器、电机编码器和一世光学脚垫传感
嚣把系统的的状态提供给了控制器，控制器经过运算确定输入给电机的能量大
小。
近十年来，两轮自平衡机器人引起同外许多研究机构和机器人爱好者极大
关注，各种基于不同目的、不同设计方案和控制策略的自平衡系统相继而生。
在这方面国外的研究比较超前，研制出了一些具有代表性的机器人，国内的研
究基本上处于理论研究与实践的初期，只开发出了少数的实验原型机。
中国科学技术大学自动化系和力学系多位教授、博导、博士、硕士研究生
和本科生联合研制完成的科研成果，又名自平衡电动代步车，是实用的两轮自
动平衡