一、自平衡小車是利用車模自身動力使小車保持相對的平衡，是一個動態平衡的過程。維持車模平衡的動力來自車輪的運動，由兩個直流電機驅動。對車模的控制可以分解為三個控制任務：

　　1、控制小車平衡：通過控制小車車輪正反轉使小車保持直立平衡。

　　2、控制小車速度：通過控制小車的傾角實現小車前后運動和速度的控制，其實最終的仍是通過控制電機的轉速實現。

　　3、控制小車方向：通過控制小車兩個電機之間的轉速差來實現轉向控制。

　　分解為三個控制任務顯得相對簡單一點，但是在最終的控制過程中都歸結為對一個控制量的控制，這樣三個任務之間就會存在耦合，會相互干擾。三個任務中控制平衡是關鍵，所以對小車的速度和方向控制應該盡量的平滑。

　　二、硬件方案設計

　　小車的硬件分為三個部分，分別是主控部分、小車姿態獲取部分以及電機驅動部分。主控板采用目前常用的arduino UNO，同時也可以使用其他arduino通用控制板做主控。

　　小車姿態獲取可以有很多方案，使用最多的就是通過加速度計和陀螺儀獲取小車姿態。理論上只需要兩軸加速度計（垂直方向Z軸和沿小車運動方向X軸）和一個單軸陀螺儀（沿小車車輪軸方向，獲取繞小車輪軸的角速度）。陀螺儀通過角度積分可以獲得小車角度，但是經過積分會產生累計誤差，并且會越來越大，X軸與Z軸加速度計的值也可以算出小車的傾角，但是加速度計的瞬時誤差較大，所以結合陀螺儀和加速度計兩者獲得的角度做數據融合可得真實角度。我們使用一個集成了三軸加速度計和三軸陀螺儀的集成芯片MPU6050，這樣極大的簡化了我們的傳感器電路。

　　小車通過兩個直流電機驅動車輪運動來獲得動力，直流電機的驅動電路設計關系到整個系統的穩定性，因為電機反轉時會產生反向電動勢會干擾到電源系統內其他設備的運行。我們選用L298P做電機驅動器，它內部包含4通道邏輯驅動電路，可同時驅動兩個直流電機，輸出電流可達2.5A。

　　軟件設計之小車姿態獲取---卡爾曼濾波

　　在開始之前應該對MPU6050進行設置，主要設置角速度以及加速度的量程，加速度量程有±2g、±4g±8g與±16g，角速度量程分別為±250、±500、±1000與±2000°/sec （dps），可準確的追蹤快速動作與慢速動作。在使用之前先設置好量程以便后面的換算。我們小車輪軸與傳感器Y軸平行，即繞Y軸旋轉則有：

　　那豎直方向弧度計算公式為： angle = atan2（x， z） //結果以弧度表示并介于 -pi 到 pi 之間（不包括 -pi）

　　如果要換算成具體角度： angle = atan2（x， z） *（180/3.14）

　　陀螺儀獲取角速度積分得到角度公式為：anglen = anglen-1 + gyronn*dt ，式中anglen 為第N次采樣的角度值，anglen-1 為第N-1次的角度值，gyronn為兩次采樣值之間的角速度值，dt為兩次采樣之間的時間。然后將換算后的兩個角度數據進行卡爾曼濾波融合，可獲得小車真實角度，也可以采用更簡單的互補濾波算法。

　　注意加速度計所得角度與陀螺儀積分角度的方向。

　　四、軟件設計之小車姿態調整---PID參數整定

　　小車的姿態獲取最終結果是一個角度，就是小車偏離平衡位置的傾角。通過以小車的這個傾角為變量進行PID控制，輸出用于控制車輪轉速的PWM值，那么相當于小車只有一個角度反饋環路，雖然能使小車平衡，但是增加了控制難度，所以通常會使用帶測速的電機，再加入一個小車速度反饋環路，這樣使得小車更容易控制。