乐高两轮自平衡机器人

两轮自平衡机器人 项目验收总结报告

一、项目实施工作概况总结

1.1概述

两轮自平衡电动车是动态平衡机器人的一种，其运作原理主要是建立在“动态稳定”的基本原理上，也就是车辆本身的自动平衡能力。以内置的精密固态陀螺仪和加速度计来判断车身所处的姿势状态，然后单片机据此发出合适指令,驱动电机以抵消小车倾斜的扭矩,使小车不断获得平衡。近年来，两轮自平衡电动车以其行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。国内外有很多这方面的研究，也有相应的产品。美国已经有一种载人两轮自平衡车上市,以“赛格威“这个品牌为大众所知。由于两轮自平衡车有异于四轮布局小车的独特优点，因此具有广泛的应用前景。

1.2 整车设计思路

图1.1 小车整体模块组成

图1.2 小车实物

二、项目主要技术特征和创新点

Freescal单片机选用MC9S12XS128作为系统的控制核心。它负责接收陀螺仪+加速度融合出来的数据、赛道信息、小车速度等信息，并对这些信息进行相应处理，得到合适的控制量来对电机进行控制。

电源模块使用LM2940系列稳

两轮自平衡机器人 项目验收总结报告

一、项目实施工作概况总结

1.1概述

两轮自平衡电动车是动态平衡机器人的一种，其运作原理主要是建立在“动态稳定”的基本原理上，也就是车辆本身的自动平衡能力。以内置的精密固态陀螺仪和加速度计来判断车身所处的姿势状态，然后单片机据此发出合适指令,驱动电机以抵消小车倾斜的扭矩,使小车不断获得平衡。近年来，两轮自平衡电动车以其行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。国内外有很多这方面的研究，也有相应的产品。美国已经有一种载人两轮自平衡车上市,以“赛格威“这个品牌为大众所知。由于两轮自平衡车有异于四轮布局小车的独特优点，因此具有广泛的应用前景。

1.2 整车设计思路

图1.1 小车整体模块组成

图1.2 小车实物

二、项目主要技术特征和创新点

Freescal单片机选用MC9S12XS128作为系统的控制核心。它负责接收陀螺仪+加速度融合出来的数据、赛道信息、小车速度等信息，并对这些信息进行相应处理，得到合适的控制量来对电机进行控制。

电源模块使用LM2940系列稳

两轮自平衡小车是移动机器人研究中的一个重要领域,本文针对该系统的平衡控制问题,采用了最优控制方案,仿真实验结合实际系统实验均实现了其对平衡控制和运动轨迹控制,验证了控制效果。

《动技与用 21年 0第4 自化术应 01第3卷期

控制理论与应用Co tol eo y an pl a i n nr Th r d Ap i to s c

两轮自平衡小车控制研究张伟民 .晓明 .赵艳花段(洛阳理工学院电气工程与自动化系，河南洛阳 4 1 2 ) 7 0 3

摘要：两轮自平衡小车是移动机器人研究中的一个重要领域，本文针对该系统的平衡控制问题，采用了最优控制方案，仿真实验结合实际系统实验均实现了其对平衡控制和运动轨迹控制，验证了控制效果。关键词：自平衡；轨迹控制；优控制最中图分类号： P 4 T 2文献标识码： A文章编号：0 3 2 12 1 )4 0 0 4 10 7 4 (0 1 0 1 0 0

Re e rh o r c n r Io WO W h e ef aa c dVe il s a c f a eCo t r T o f T . e I lB ln e hce S .B s d o NN a e nFZIANG e- i,

乐高机器人转弯的小车

转弯的小车(小车动起来)

活动目标：探索什么样的轮子可以让小车转弯。通过比较的方法来得出科学的结论。

活动材料：9645乐高动力机械套装

集体活动：

汽车不可能永远笔直地行驶，否则要么撞，要么掉进哪里去？

通过一些联系引出汽车转弯的探究任务？

比如：问每个学生的家住在哪里？学校在哪里？可以笔直地过来吗？

观察原由的车的结构是否适合转弯？

安静仔细地听，让学生听到摩擦的声音。向学生解释，有摩擦，就说明转弯是非常困难的。说明轮子组装得有问题。

小组活动：

把小车的前轮拆下来，独立探究：

乐高机器人转弯的小车

小组讨论，分析，什么样的轮子是适合转弯的？

这样的轮子适合转弯吗？

可以让学生想办法去改进。

记录与交流：

1. 在纸上画一条弯曲的公路轨迹，试试什么样的轮子是适合转弯的。

如果轮子能够顺利转过这个弯道，把轮子的连接方法记录下来。

2. 在黑板上的弯曲道路上，向同学们展示你的轮子。是不是转弯的时候没有感觉到明显的阻力？

或者把你桌子上的书本当作街角，来演示你的轮子的转弯过程。仔细地听听是否有摩擦？

乐高机器人转弯的小车

3. 设计并搭建一辆车子，有方向盘可以控制前轮方便地转弯。

小组讨论，把对“小车从斜面上行驶下来”的结论写下来：

教学建议：

1. 首先要让学生明确一点

毕业设计（论文）

题 目 系 （院） 专 业

学 号 指导教师 职 称

两轮平衡车的设计

机电工程系

机械设计制造及其自动化

二〇一四年六月二十日

独 创 声 明

本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律后果由本人承担。

作者签名: 二〇一二年 月 日

毕业设计（论文）使用授权声明

本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。

本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。

（保密论文在解密后遵守此规定）

作者签名: 二〇一二年 月

滨州学院本科毕业设计（论文）

两轮

燕山大学

课程设计说明书题目：双轮自平衡小车机器人系统设计与制作

学院（系）：机械工程学院

年级专业：12级机械电子工程

组号：3

学生：

指导教师：史艳国建涛艳文史小华庆玲

唐艳华富娟晓飞正操胡浩波

日期： 2015.11

燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：机械工程学院基层教学单位：机械电子工程系

摘要

两轮自平衡小车是一种非线性、多变量、强耦合、参数不确定的复杂系统，他体积小、结构简单、运动灵活，适合在狭小空间工作，是检验各种控制方法的一个理想装置，受到广大研究人员的重视，成为具有挑战性的课题之一。

两轮自平衡小车系统是一种两轮左右并行布置的系统。像传统的倒立一样，其工作原理是依靠倾角传感器所检测的位姿和状态变化率结合控制算法来维持自身平衡。本设计通过对倒立摆进行动力学建模，类比得到小车平衡的条件。从加速度计和陀螺仪传感器得出的角度。运用卡尔曼滤波优化，补偿陀螺仪的漂移误差和加速度计的动态误差，得到更优的倾角近似值。通过光电编码器分别得到车子的线速度和转向角速度，对速度进行PI控制。根据PID控制调节参数，实现两轮直立行走。通过调节左右两轮的差速实现小车的转向。

制作完成后，小车实现了在无线蓝牙通讯下前进、后退、和左右转向的基本动作。此外小车能在正常条

用于乐高机器人的PID控制器

PID技术一直是大家很感兴趣的话题。要用好PID控制，并不是一件容易的事，需要有相当的高等数学基础和控制技术基础，这对很多乐高机器人爱好者来说，是一个难题。 J. Sluka （原文作者）没有从专业的角度去解释PID，而是以非常浅显的方式写出了这篇“A PID Controller For Lego Mindstorms Robots”（用于乐高机器人的PID控制器），向缺乏专业基础的人士，解释如何在乐高机器人里使用PID控制器。 在这篇文章里所有的代码都不是真正的程序代码，只是作者对编程的示意，或者说是用类似程序代码的方式对编程的内容进行解释。作者希望读者能自行选择程序语言，自己完成PID控制器的编程。

PID控制器是一种常用的控制技术，常用于多种机械装置（如车辆、机器人、火箭）中。用数学方式来描述PID控制器是非常复杂的。本文描述了如何在使用NXT-G编程的LEGO机器人上创建PID控制器。文中将以实例来说明如何创建PID来完成机器人巡线任务。PID创建完成后，经过简单的修改就可以应用到其他地方，如，让机器人跑直线，做两轮平衡机器人。其实学过微积分的人很容易理解PID的典型描述，本文是写给那些对PID几乎没

用于乐高机器人的PID控制器

PID技术一直是大家很感兴趣的话题。要用好PID控制，并不是一件容易的事，需要有相当的高等数学基础和控制技术基础，这对很多乐高机器人爱好者来说，是一个难题。 J. Sluka （原文作者）没有从专业的角度去解释PID，而是以非常浅显的方式写出了这篇“A PID Controller For Lego Mindstorms Robots”（用于乐高机器人的PID控制器），向缺乏专业基础的人士，解释如何在乐高机器人里使用PID控制器。 在这篇文章里所有的代码都不是真正的程序代码，只是作者对编程的示意，或者说是用类似程序代码的方式对编程的内容进行解释。作者希望读者能自行选择程序语言，自己完成PID控制器的编程。

PID控制器是一种常用的控制技术，常用于多种机械装置（如车辆、机器人、火箭）中。用数学方式来描述PID控制器是非常复杂的。本文描述了如何在使用NXT-G编程的LEGO机器人上创建PID控制器。文中将以实例来说明如何创建PID来完成机器人巡线任务。PID创建完成后，经过简单的修改就可以应用到其他地方，如，让机器人跑直线，做两轮平衡机器人。其实学过微积分的人很容易理解PID的典型描述，本文是写给那些对PID几乎没

燕山大学

课 程 设 计 说 明 书

题目：双轮自平衡小车机器人系统设计与制作

学院（系）：机械工程学院 年级专业：12级机械电子工程 组 号：3

学生姓名：

指导教师：史艳国 姚建涛 李艳文 史小华 张庆玲

唐艳华 李富娟 刘晓飞 刘正操 胡浩波

日 期： 2015.11

燕山大学课程设计（论文）任务书

院（系）：机械工程学院 基层教学单位：机械电子工程系

组号 设计题目 学生姓名 双轮自平衡小车机器人系统设计与制作 设 计 在课程研究项目所搭建的伺服控制系统的基础上，自主设计加工双轮车的机械系统，并完成要 智能双轮自平衡车系统装配与调试。 求 所搭建的双轮车系统需要具备以下基本功能： 技 术 参 数 a. 具备一定的自平衡能力，自动检测自身机械系统的倾角并完成姿态的调整； b. 具备一定的负载承载能力，在加载一定重量的重物时能够快速做出调整并保证自身系统的自我平衡； c. 具备速度调节能力，能够以不同的运动速度实现双轮车系统的前进、后退、左转与右转等动作； d. 具备无线通讯功能，能够实现双轮自平衡车系统的无线远程操作控制。 （1）资料分析：查阅相关文献资料，对资料进行分析总结。 （2）机器人总体设计

乐高机器人课程是如何锻炼孩子能力的？

在现代科学技术的提高下，大家都知道机器人技术要比传统的、基本学科的内容要丰富的多，它不仅可以将各种学科有机的结合起来，而且培养孩子们对学习的兴趣，很多的家长都愿意选择机器人课程。那么乐高机器人课程是如何锻炼孩子能力的？乐高机器人课程分为机器人的搭建、组装和运行，激发孩子们的学习兴趣、同时也培养学生综合能力。

乐高机器人课程在编程的过程中，提高了孩子的逻辑思维能力，机器人的搭建也是个团体合作的过程，不仅可以提高孩子的动手操作能力，同时还能让孩子在操作中如何运用学习到的原理，从而提高孩子的想象力、创造力、综合运用能力，所以，在孩子们共同探讨的过程中，也提高了孩子的团队合作意识。除了学习常规课，孩子们也可以去参加一些比赛集训营，比如参加国内外的机器人比赛，如果想走科技特长生的话，一旦能拿奖又可以提升孩子的入学门槛。

孩子的个性可以从他们的日常行为观察出来，也可以通过他们的作品呈现出来。机器人的搭建可以给孩子们无限的想象力，让他们自由发挥。从而更好的发挥自我的个性。

另外在搭建的过程中，你会发现运行的过程中有许多要修改的地方。首先是作品的结构，这里你可能需要用到物理结构以及机械相关的知识，从这些方面对

所搭建的进行优化改造