两轮自平衡车系统的设计
【摘要】两轮自平衡小车是一个集传感器系统、控制系统和推进系统于一体的机器人，通过多种传感器进行加速度、角度等数据采集、读取、处理后，将数据发送给控制器，由控制器控制电机的输出速度和转矩，让车体保持平衡，并能够按照操作者的意图前进、后退或转弯。
【关键词】自平衡车；传感器；控制器
0引言
两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器人，是一种多变量、非线性、强耦合的系统，是检验各种控制方法的典型装置。同时由于它体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。
1系统功能设计
维持车体直立行驶可以设计出很多的方案，本方案假设维持车体直立，运行的动力都来自于车体的两个轮子，图（1）所示为自平衡小车系统框图。两个车轮由大功率直流电机驱动。因此从控制角度来看，车体作为一个控制对象，它的控制输入量是两个电极的转动速度。车体运动控制任务可以分解成以下三个基本控制任务：
（1）控制车体平衡：通过控制两个电机正反向运动保持车体直立平衡状态。
（2）控制车体速度：通过调节车体的倾角来实现车体速度控制，实际上最后还是演变成通过控制电机的转速来实现车轮速度的控制。
（3）控制车体方向：通过控制两个电机之间的转动差速来实现车模转向控制。
三个分解任务各自独立进行控制。由于最终都是对同一个控制对象进行控制，所以他们之间存在耦合。最终三个控制参量累加到一起作用到电机上。
2系统机械设计
平衡车的整体结构主要包括车身、左右车轮、左右悬架和操纵杆。悬架和车轮之间6颗螺丝相连且可以相互转动；操纵杆则是靠2只较大的螺丝和车架固定。
3系统硬件电路设计
31陀螺仪与加速计的数据采集与处理
f陀螺仪采用村田公司的ENC03，加速计采用MMA7260。因为陀螺仪的动态响应较好，而加速计的静态响应较好，这就需要对两个传感器输出信号进行必要的处理。
陀螺仪输出模拟信号，且有差分接口，采用差分运放可以有效去除信号中的直流分量，在经过硬件积分电路，转换成陀螺仪输出角度。后一级接入高通滤波器，去除温度对陀螺仪输出信号的影响。
加速计输出模拟信号，有三轴输出，由于加速计的静态响应较好，因此对于输出信号中的高频分量要去除，在加速计的后级加入低通滤波器，来去除车辆抖动对加速计输出信号的影响。
两路传感器输出信号接入单片机的AD采集端，将模拟信号转化为数字信号，再进行对应的数字滤波后。送入单片机内直立算法控制区处理r