双轮自平衡机器人是移动机器人研究领域的一个重要分支,涉及的领域和学科包括机械、电子、传感、自动控制以及信号处理等。双轮自平衡机器人的平衡原理类似于倒立摆,具有非线性、强耦合等特性。它的结构特点是双轮共轴,左右平行布置,利用加速度计与陀螺仪对前后倾斜角度和角速度进行检测,同时利用测速元件对机器人行驶速度进行检测,并将信息输出到微处理器,通过平衡控制算法得到系统控制量,完成对双轮自平衡机器人行走姿态的改变。自从第一台平衡机器人Segway上市以后,就备受各界关注,但市场价格昂贵,而且应用领域相对有限,仅作为代步工具使用。当用于野外复杂环境探测、温度检测等一系列数据采集的场合时,如果平衡机器人失去平衡,将不能实现自恢复平衡,无法继续完成既定任务。而且,平衡机器人为了保持平衡就必须一直处于工作状态,这样电池电量将很快耗尽,失去了续航能力,不能用于间歇性工作场合。因此,在完善平衡机器人功能时降低系统成本、能耗,使平衡机器人可以自恢复平衡,实现远程控制,能够用于间歇性工作场合成为了本文重点研究的课题,也是本文的技术创新点。为此,本文提出了一种双轮自平衡机器人控制方案,旨在扩展其应用领域、降低能耗、成本、实现远程控制、可自恢复平衡等。本文完成的具体工作主要表现在以下几个方面:⑴对双轮自平衡机器人力学模型进行分析和推导,建立相应的数学方程式,并完成机器人的结构设计;⑵完成平衡机器人的硬件电路设计,选用STM32作为控制系统主控芯片,姿态传感器MPU6050用来检测机器人的姿态,蓝牙模块用作无线通信单元;⑶完成平衡机器人系统软件设计,姿态传感器数据采集及处理方法,分别介绍了互补滤波和卡尔曼滤波两种常用的数据融合滤波算法,并通过MATLAB数据拟合对两种滤波算法进行了比较;⑷根据双轮自平衡机器人系统的数学模型和非线性等特点,设计出适合控制自平衡机器人系统的模糊PD控制器,用来整定平衡控制算法中的参数;⑸利用C++编写了远程控制客户端软件,通过蓝牙与机器人进行通信,实现远程客户端对机器人的运行姿态的改变,机器人系统将运行参数传送到客户端界面显示。实验结果表明,平衡机器人运行平稳,客户端与机器人系统通信正常,建立连接时间为3秒钟,指令传输速率9600bps,远程控制距离达15米。客户端可以控制机器人行走姿态的改变,并且可以实现自动恢复平衡,恢复平衡时间在3到4秒钟,可用于间歇性工作场合,降低系统功耗,达到了设计目的。