轮式移动小车搭载倒立摆自平衡实验装置

　　这套轮式移动倒立摆装置，核心定位是面向自动控制算法验证的教学与科研实验载体，区别于固定基座的传统倒立摆设备，它将摆杆机构集成在差速驱动的轮式移动小车上，可同时实现小车自身的位置平衡与摆杆的竖直倒立稳定，能覆盖更多复杂控制场景的算法验证需求。从实际应用场景来看，这类装置不仅是高校自动化、机械电子工程专业开展控制理论教学的核心实验教具，也可作为移动机器人平衡控制算法迭代的验证平台，很多两轮自平衡代步车、自主移动巡检机器人的底层平衡控制逻辑，都可以先在这类缩比实验装置上完成参数整定与逻辑验证，再移植到全尺寸实体设备上，大幅降低实机调试的风险与成本。

　　从功能特性上看，整套装置分为下层移动底盘与上层摆杆组件两个核心部分，下层底盘采用双侧独立驱动的轮式结构，搭配带编码器的驱动单元，可实时反馈车轮转速与小车位移数据，底盘上层预留了控制板、驱动板、传感模块的安装位，集成的惯性测量单元可实时采集底盘的俯仰角度与加速度数据；上层摆杆通过低摩擦枢轴结构与底盘连接，枢轴处内置角度传感器，可实时反馈摆杆相对于底盘的倾斜角度，整套传感链路可同时采集小车位移、车轮转速、底盘倾角、摆杆倾角四类核心数据，为控制算法提供全维度的状态反馈输入，支撑LQR等现代控制算法的全状态反馈控制逻辑落地。

　　设计思路上，整套结构优先保证运动部件的低摩擦与低惯量特性，摆杆采用轻质高强度的细长杆结构，顶端配置可调式配重块，可通过改变配重位置调整摆杆的整体转动惯量，适配不同难度等级的控制实验需求；底盘的轮距、重心高度都经过反复校核，保证在摆杆大幅摆动过程中底盘不会出现侧翻风险，同时底盘的整体重量控制在合理区间，避免驱动单元负载过大影响动态响应速度。枢轴结构采用高精度轴承配合，尽可能减小转动阻尼，避免额外的摩擦阻力干扰控制算法的验证精度，所有走线都采用隐藏式布局，避免线缆在摆杆摆动、小车移动过程中产生拉扯干涉。

　　从安装边界与尺寸适配来看，整套装置的占地面积仅相当于一张A4纸张大小，可直接放置在普通实验台面上开展实验，不需要额外的固定基座；摆杆处于竖直状态时的整体高度可根据实验需求调整，常规配置下摆杆顶端距离台面的高度适配实验室常规的防护围挡高度，避免摆杆摆动过程中超出实验区域。底盘的驱动轮采用防滑橡胶材质，可在普通木质、金属实验台面上获得足够的附着力，避免加减速过程中出现打滑影响控制精度，底盘底部预留了电池安装仓，可脱离外部供电线独立运行，也支持外接供电开展长时间连续实验。

　　在实际调试过程中，这类装置可开展的实验内容远多于传统固定倒立摆，除了基础的摆杆倒立平衡控制，还可实现小车定点悬停平衡、轨迹跟踪过程中的摆杆稳定、外力扰动下的平衡恢复等多类实验场景，能完整复现移动类自平衡设备的实际工作工况。结构设计上所有零部件都采用模块化设计，摆杆长度、配重重量、底盘轮距都可快速更换调整，方便使用者根据不同的实验目标修改硬件参数，验证不同结构参数对控制效果的影响，比如更换更长的摆杆验证大惯量负载下的控制参数鲁棒性，或是更换更大重量的配验证重心偏移时的算法自适应能力。整套装置的结构件大多采用标准型材与通用紧固件连接，不需要特殊的定制加工工具即可完成拆装维护，日常实验过程中如果出现零部件磨损，可快速更换标准备件，不需要整体返修，非常适合高频次的教学实验场景使用。