摘要
平衡车是一种特殊的轮式移动机器人，它运动灵活，成本低，适合在狭小和危险的空间工作，可以零半径转弯，应用前景广泛，是研究各种控制方法的一个理想平台。在民用和军事上也有着广泛的应用前景。本文在总结和归纳了两轮自平衡机器人的研究现状后，结合了两轮自平衡代步电动车的设计经验提出了自平衡车的构建方案。本研究的研究对象为基于陀螺稳定原理的二轮自平衡车设计，这种车的轮子是前后异轴布置，其工作原理是采用陀螺仪稳定器技术，使车辆本身具有自动平衡能力。利用陀螺力学知识建立自平衡车动力学模型，利用Matlab/Simulink模块进行仿真。设计PID控制算法，利用施加在陀螺稳定器上的力矩实现平衡控制。
关键字： 自平衡、陀螺仪、Matlab建模仿真、PID控制
一、前言
自从机器人的想法被提出后，不同国家的科学家和学者都对其抱有浓厚的兴趣，随着科学技术与人类文明的迅速发展，机器人已经越来越普遍地出现在大众视野中。目前，机器人领域的研究已经形成几个互相独立又有联系的分支。轮式自平衡机器人就是其中一个重要分支[1]。
20世纪80年代科学家提出双轮自平衡机器人的概念，这种机器人能够通过合理的控制达到自平衡，结构简单，通过两轮差动输入可以实现零半径回转和U型回转[2]，并且能在复杂的环境中执行任务。受到两轮自平衡机器人思路的启发，是否可以依靠机械装置来维持车辆的稳定性是仍需待探索与解决的问题。有的研究人员将二轮车身设计的很紧凑，虽然车身很窄，但依靠特别的平衡系统就能够让车身保持不倒。
陀螺仪器最早是用于航海导航，但随着科学技术的发展，它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。典型的陀螺仪器，其主要部分是一个对旋转轴以极高角速度旋转的转子，转子装在一支架内，在通过转子中心轴上加一内环架，那么陀螺仪就可绕平面两轴作自由运动，然后在内环架外加上一外环架，这个陀螺仪有两个平衡环，可以环绕平面三轴作自由运动。陀螺的原意为高速旋转的刚体，而现在一般将能够测量的相对惯性空间的角速度和角位移的装置称为陀螺[3]。
陀螺是一种即使无外界参考信号也能探测出运载体本身姿态和状态变化的内部传感器，其功能是测量敏感运动体的角度、角速度和角加速度;陀螺仪不仅可以作为指示仪表，而更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件，即可作为信号传感器[4]。同时，陀螺仪也可以利用其定轴性进行机械维持平台的稳定。
现如今平衡车在使用上主要有如下优点[5]。
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