文档介绍：典型传感器原理及特性实验指导书
一、实验目的（应与“机械专业大类实验A（一）”大纲中的教学要求一致）
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二、实验内容（应与“机械专业大类实验A（一）”的教学内容一致）
三、实验仪器设备
四、实验原理和方法

一个完整的控制系统需要包括：传感器、控制器、执行机构三个部分组成。实现自平衡小车（segway）的设计也需要从传感器、控制器、执行机构三个部分来思考。自平衡小车控制系统主要有以下三个部分组成。
控制系统的组成
传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。为了实现小车的自平衡，需要感知小车倾斜的姿态（可以选用倾角传感器或者陀螺仪来测量小车的姿态），同时还需要感知小车水平移动的速度和加速度以便于对小车进行最合理的控制维持平衡（可以使用光电编码器来测量小车的移动的速度和加速度）。
控制器（英文名称：controller）是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个系统的操作。我们选择NI myRIO作为嵌入式控制器。NI myRIO支持667 MHz双核ARM C ortex-A9可编程处理器和可定制的现场可编程门阵列（FPGA），可以快速开发系统、解决复杂设计难题。myRIO在该系统中的作用是，实时采集传感器信号，执行闭环控制算法，控制执行机构的输出，维持小车的平衡。
执行器（英文名称：actuator）是自动化技术工具中接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置。我们选择直流电机作为小车的执行器，通过控制电机旋转的角度和速度来实现小车的左右移动，从而维持小车平衡。
控制系统框图如下图所示，首先通过传感器采集得到小车实际的姿态信号，将小车实际的姿态与期望得到的平衡位置进行比较，控制器中的闭环控制策略经过运算得出电机的控制信号，电机驱动车轮旋转实现对小车姿态的调整。

陀螺仪（英文：gyroscope），是一种用来感测与维持方向的装置，基于角动量守恒的理论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的转子构成。陀螺仪一旦开始旋转，由于转子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。陀螺仪多用于导航、定位等系统。当机器人倾倒时，陀螺仪探测出角度变化并发送到myRIO，通过myRIO内部的平衡控制算法，输出小车运动控制信号来保持小车的平衡。该实验选择使用MEMES陀螺仪传感器，来测量小车的姿态。芯片类型：MPU-6050。
旋转编码器（rotary encoder）也称为轴编码器，是将旋转位置或旋转量转换成模拟或数字信号的机电设备。一般装设在旋转物体中垂直旋转轴的一面。旋转编码器用在许多需要精确旋转位置及速度的场合，如工业控制、机器人技术、专用镜头等。编码器有二个输出，分别称为A和B，二个输出是正交输出，相位差为90度。增量型编码器的单圈脉冲数（PPR）为其旋转一圈时会输出的方波数，如PPR为600表示旋转一圈时A和B都会输出600个方波，但先后顺序不同。光学式增量型编码器可以有较高的单圈脉冲数，例如2500其至到10000。以下是顺时针及逆时针旋转时，编码器输出的变化：
顺时针旋转的输出
Phase
A
B
1
0
0
2
0
1
3
1
1
4
1
0
逆时针旋转的输出
Phase
A
B
1
1
0
2
1
1
3
0
1
4
0
0
顺时针旋转下，增量型编码器正交的方波输出
二个信号有90度的相位差，在不同旋转方向时，二个信号的相序也有所不同，可以利用程序将二个信号进行解码．根据其相序不同，在有方波时使一计数器上数或是下数，此计数器的值即可对应转轴的旋转量。有些旋转编码器除了A相及B相外还有一个输出，一般称为Z相，每旋转一圈Z相信号会有一个方波输出，可以用来判断转轴的绝对位置，例如用在位置控制的系统中。
直流电机的驱动和控制
直流电机的PWM (宽度调变)调速控制技术为调节马达转速和方向需要对其直流电压的大小和方向进行控制。目前，常用大功率晶体管脉宽调制（PWM）调速驱动系统和可控硅直流调速驱动系统两种方式。可控硅直流（SCR）驱动方式，主要通过调节触发装置控制SCR 的导通角来移动触发脉冲