两轮自平衡小车姿态参数检测及实验研究(3)
态控制两台直流电机的转速 。 上位机与机器人间的数据通信采用超小型功耗高速无线
收发 MODEM ，人机交互界面采用 240*128 图形液晶点阵、方向摇杆及按键。基于这些
完备而可靠的硬件设计，使用了一套独特的软件算法，实现了该系统的平衡控制。
1.2 1.2 1.2 1.2 两轮自平衡小车的研究意义 两轮自平衡小车的研究意义 两轮自平衡小车的研究意义 两轮自平衡小车的研究意义
两轮自平衡小车作为移动机器人的一种，是一个集环境感知，动态决策与规划，
行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统 ， 是动力学理论和自动控制理论与技术
相结合的研究课题 ， 其关键是解决在空载 、 载人 、 前进 、 后退 、 旋转以及刹车等各种
运动状态 、 各种环境下如何保持车体系统平衡的问题 。 两轮自平衡小车是一个高度不
稳定两轮机器人 ， 其动力学方程是一多变量 、 严重自不稳定 、 耦合 、 时变 、 具有参数
不确定性的非线性高阶方程 ， 加上运动学方程中的非完整性约束 ， 要求完成的控制任
务也具有多重性 ， 即在完成系统平衡控制任务的同时 ， 还要在复杂的环境下完成路径
跟踪任务或自主移动的任务 ， 因此 ， 两轮自平衡小车是一个具体的 、 实现起来相对便
宜的复杂系统 ， 给控制理论提出了很大的挑战 ， 是检验各种控制方法处理能力的典型
装置 ， 受到世界各国科学家的重视 ， 成为具有挑战性的课题之一 。 两轮自平衡小车作
为一种复杂系统的实验装置 ， 其控制难度大 ， 控制算法复杂 ， 很适于理论研究 、 实验
和仿真。在此实验系统上可进行解耦控制、不确定性系统控制、非线性系统控制 、 自
适应控制 、 复杂系统分散协同控制等研究 ， 且物理意义明显 、 观察方便 ， 系统具备复
杂系统的特点但其本身又不很复杂 ， 价格低廉 ， 占地面积小 ， 是很有潜力的实验工具 。
其次建立在自平衡基础之上的两轮小车的其他性能，例如复杂环境下的导航、拐角
的转弯等问题也极有可能解决在工业生产和社会生活中的许多挑战。1.3 1.3 1.3 1.3 本论文所做的主要工作 本论文所做的主要工作 本论文所做的主要工作 本论文所做的主要工作
本文主要是对两轮自平衡小车的控制的研究。经过学习国内外对该领域的研究的
相关资料 ， 结合了新的 航姿参考系统 芯片 。 通过该芯片来获得小车的姿态参数 ， 然后
对获取的姿态参数进行卡尔曼滤波，从而来实现对小车的方向估计。
本文的主要工作：
1. 熟悉两轮自平衡小车动力学控制的基本原理 ，熟悉 两轮自平衡小车 的结构组成。
2. 学习理解惯性导航的基本知识，学习 AHRS 系统的基本原理，理解其结构组成和数
据处理的原理，理解其是怎样进行数据测量和数据融合从而进行方向估计。
3. 学习理解 AHRS 中的 ChR-6dm 芯片 ，学习串口通讯的编程知识，从而实现 ChR-6d m
芯片 与计算机的通讯。从 ChR-6dm 芯片 上获得小车的各个姿态参数。
4. 学习扩展卡尔曼滤波算法 ， 理解其怎样进行数据融合和方向估计的 。 学习理解欧拉
角和四元参数。学会基于欧拉角的卡尔曼滤波和基于四元参数的卡尔曼滤波。
2 2 2 2 两轮自平衡小车的传感器单元 两轮自平衡小车的传感器单元 两轮自平衡小车的传感器单元 两轮自平衡小车的传感器单元
本课题两轮自平衡小车所使用的传感器芯片为 航姿参考系统 （ AHRS)
[1]
。 它融合了
三轴陀螺仪，加速度计和磁强计 [3][5]