双轮自平衡移动机器人,它属于轮式移动机器人的范畴,具有结构简单,运动灵活、功耗小、调速性能好、能够适应不同工作环境,尤其是在狭窄空间内运动等特点,这些特点使其在军事和民用上有着广泛的应用前景。本文是以飞思卡尔智能车竞赛为背景,利用飞思卡尔公司的MK60N512VLQ100芯片作为主控芯片而研发的基于视频导航的直立竞速倒立摆系统,该系统具有自主站立、自动识别路径、自主避障的特点。首先,本文在详细查阅了中外相关文献的基础上,综合叙述了两轮自平衡机器人的发展现状和研究趋势,然后对倒立摆系统能够进行直立行走进行任务分解,分析了整个系统的工作原理,并基于此提出了总体方案设计与各个子模块的硬件电路设计。其次,在姿态检测中,对陀螺仪和加速度计输出信号进行了数据融合即互补滤波,补偿陀螺仪的积分、温漂误差与加速度计的动态误差,从而得到了一个更优的车体倾角近似值。再次,结合黑色图像数据的特点,对从摄像头采集回来灰度值图像数据进行平滑滤波,然后通过区域分割动态阈值对图像进行了二值化处理,并对二值化之后的图像再次进行滤波得到了噪点较少的图像数据。之后基于处理好的图像进行路径边缘提取,得到路况的角度和曲率信息,为系统的正常运行提供了依据。同时对于双轮直立小车进行了受力分析,对直流电机进行数学建模,进而建立了被控对象的传递函数。最后,通过分析传统PID与模糊控制的优缺点,得出模糊PID的控制策略。分别使用三个模糊控制器对倾角、转向和速度分别进行控制,并通过参数调整,使车体在赛道上高速平稳的运行,同时能够对在赛道上随机出现的障碍物进行自主避障。