在本章節中，首先介紹兩輪移動車之產生背景及文獻有關國內及國外的相關 研究和實際應用。最後，說明研究目的及本論文大綱。
1.1 研究動機與背景
近年來，由於環境保護意識興起，世界各國紛紛提倡環保與永續發展，其中 以1997年12月在日本京都由聯合國氣候變化綱要公約參加國三次會議制定的「京 都議定書」最具代表性，到2009年2月，一共有183個國家通過了該條約（超過全 球排放量的61%）[1]、溫室氣體會造成地球溫度上升，美國冰雪資料中心和太空 總署也發現北極冰層正漸漸縮小[2]，造成海平面上升，對於許多小型海島國家造 成威脅。
也因人口增加(全球人口從1804年的10億人到2011年已經達到70億人[3])、車 輛等交通工具數量的增加和居住空間越來越擁擠，空氣汙染、噪音、停車不方便…
等問題常常為人詬病。有鑒於此，低碳排放量、低噪音、體積小、停車方便的電 動交通工具漸漸受到市場重視，以至於引起相關研究單位開始發展和推動電動 車。最具代表性的為美國發明家狄恩•卡門與他的DEKA研發公司（DEKA Research and Development Corp.）所發明的一種具有低噪音、無排放、體積小的 兩輪自我平衡車「Segway」[4]，Segway的運作原理主要是建立在一種被稱為「動 態穩定」（Dynamic Stabilization）的基本原理上，也就是車輛本身的自動平衡能 力。以內置的精密固態陀螺儀（Solid-State Gyroscopes）來判斷車身所處的姿勢 狀態，透過精密且高速的中央微處理器計算出適當的指令後，驅動馬達來做到平 衡的效果[5]，Segway的控制核心是使用德州儀器(Texas Instruments, TI)[6]所出產 之數位信號處理器 (Digital Signal Processing, DSP)、並且馬達方面使用的是直流 無刷馬達(BLDC)來推動Segway、電源方面早期是使用鎳氫電池(Ni-MH)，後期車 種則是使用無記憶性、低自放[7]之鋰離子電池。
此外，美國的工程師T.Blackwell在2002年，也利用8-bit的Atmel微控制器實現
了名為「Blancing Scooter」的兩輪自我平衡車[8]。日本的日立公司(HITACHI)也 在2005年也推出EMIEW[9]，EMIEW是類似以Segway為基礎的兩輪機器人。同年 (2005)日本也有學者Makiko Sasaki、Naoto Yanagihara、Osamu Matsumoto和Kiyoshi Komoriya發表了Personal Riding-type Wheeled Mobile Platform(PMP)的個人騎式移 動平台[10]-[11]、2006年澳洲Ben Cazzolato的團隊發表了SON of EDGAR[12]，其 運作原理是利用狀態空間的控制方法、2008年Toyota推出Personal Transport Assistance Robot 'Winglet'[13]以及在2009年Honda也推出單輪U3-X Personal Mobility Device[14]。在實際應用上，也被廣泛使用，例如：美國芝加哥市的交通 警察[5]。
國內亦有研究有關Segway的團隊，例如王文俊教授之團隊，利用FPGA和電 腦來實現兩輪自我平衡機器人[15]。蔡清池教授之團隊，以人的體重為負載的自 平衡兩輪電動車[16]、簡忠漢和陳家宏教授之團隊，藉由3D繪圖軟體輔助，自行 設計之智慧型兩輪車[17]以及蘇國和教授之團隊之以類神經模糊控制器之演算法 則實現的兩輪式智慧型機器人[18]。
無論單輪或雙輪，其運作原理皆與 Segway 類似，可藉由陀螺儀或是加速度 計感測車身的傾斜角度或是角速度做為控制的依據，進而達到使車輛平衡的功 能。若能克服平衡上先天不穩定等問題，其俱備之碳排放量、低噪音、體積小、
停車方便的優勢就能進一步對空氣汙染、綠色環境和交通的雍塞等…問題產生更 大的優勢。
1.2 研究目的
由於兩輪移動車屬於倒單擺系統，因為具有非線性與不穩定的特性，在控制 器的設計上會相當複雜，所以一直是用來驗證控制方法的受控系統。本論文使用 模糊控制、LQR 控制和 PID 控制方法來設計模擬兩輪移動車之控制器，並經由 Matlab 模擬所設計之控制器，再經由模糊控制實驗來驗證所製作兩輪移動車之性 能。
1.3 論文架構
本論文內容，主要分為五個章節：
第一章 緒論：說明研究背景及目的。
第二章 兩輪移動車之硬體架構與設計：介紹兩輪移動車之機構、硬體架構、
感測系統以及兩輪移動車動態方程式，與其操作方法。
第三章 控制器設計與模擬：包含模糊控制器、LQR 控制器和 PID 控制器之 設計與模擬結果。
第四章 實驗與討論：包含車身定速控制、兩輪同步控制、模糊控制器實驗。
第五章 結論：為論文總結及未來展望。