两轮式自平衡车系统一方面具有非线性、多变量、强耦合、参数不确定等特征,可以作为研究控制方法处理能力的典型装置。另一方面,又具有体积小、结构简单、运动灵活、反映迅速,零角度下实现回转等特点,能够很好完成在适宜环境下的任务处理。所以本课题以变载荷作用下的两轮式自平衡车移动机器人作为研究对象,研究其功能实现和任务处理过程。根据对当前自平衡车系统研究现状的仔细分析和总结,确定了课题未来研究方向和研究重点,寻找研究的创新点。同时借鉴于自平衡代步车的设计思路与相关经验总结,制定出了本课题的实验计划和目标。总体来讲,本课题的重点研究内容分为四个部分。第一,相关功能实现的原理分析和对自平衡车体简化的数学模型分析,建立关于车身倾角的传递函数,并利用MATLAB作出倾角在阶跃输入状态下的时域响应曲线。第二,依据理论分析和任务处理目标,选择使用PID控制算法来作为系统的控制策略。结合相关实验进行参数初调,确定相应PID参数的取值范围。第三,设计并搭建自平衡车体的机械结构、硬件和软件系统。画出车体的三维图和PCB图,并设计出基于安卓平台的APP来实现无线遥控,通过蓝牙发送给设备端自平衡车功能指令与实现在线试调PID参数功能。第四,进行相关数据处理算法的设计比较。设计过程中,传感器的数据处理是实验是否能够顺利进行下去的核心问题。本次课题在速度检测上选用了霍尔编码器的M法测速,利用软件实现四倍频技术来提升测量精度。车身倾角和倾角角速度的测量则是根据MPU6050运动传感器的DMP算法输出四元数,用软件算法转换成欧拉角的方法。DMP内置了相关滤波降噪处理技术,运算结果更为可靠。最后,结合手机APP、并依据所设计搭建的自平衡车实验平台和场地环境布置来进行实验验证,观察试验现象。最终的试验结果表明所设计的控制系统能够完成所设定的目标,系统性能满足功能要求,并得出了车身在卸荷过程中的姿态变化情况。