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1、8湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)雙輪自平衡機(jī)器人的移動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目錄摘要ⅠABSTRACTⅡ第1章緒論11.1研究背景11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3本設(shè)計(jì)這要研究?jī)?nèi)容3第2章模型建立和理論分析42.1建立直流電機(jī)空間狀態(tài)方程42.2車(chē)模的能控能觀性52.3建立平衡車(chē)倒立擺模型及零極點(diǎn)分布62.4本章小結(jié)8第3章系統(tǒng)任務(wù)分解及總體設(shè)計(jì)構(gòu)架93.1任務(wù)分析93.2直立平衡控制93.3速度控制93.4方向控制103.5系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架10第4章硬件選型及硬件電路114.1主控芯片STC12C5A60S2114.2電源模塊114.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊124.4傳感器模塊13
2、4.5系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖15第5章傳感器數(shù)據(jù)融合與濾波165.1慣性傳感器數(shù)據(jù)融合和濾波的必要性1658湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)5.2卡爾曼數(shù)據(jù)融合165.3互補(bǔ)濾波185.4速度濾波19第6章PID控制206.1PID基本介紹206.2數(shù)字PID216.3PID控制器的設(shè)計(jì)21第7章軟件設(shè)計(jì)237.1軟件設(shè)計(jì)主流程圖237.2外部中斷程序設(shè)計(jì)257.3各子模塊程序設(shè)計(jì)25第8章機(jī)械人安裝和調(diào)試288.1機(jī)械人安裝288.2軟件調(diào)試28總結(jié)32致謝33參考文獻(xiàn)34附錄一Kalman濾波程序36附錄二參數(shù)說(shuō)明3758湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)58湖南工業(yè)大學(xué)本科畢
3、業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第1章緒論1.1研究背景近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外多家科研單位和企業(yè)以及自平衡車(chē)的愛(ài)好者對(duì)自平衡理論的發(fā)展做出了許多有益的貢獻(xiàn)，大大推進(jìn)了自平衡技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也出現(xiàn)了一批有代表性的平衡機(jī)器人和載人代步車(chē)作品。在現(xiàn)代社會(huì)中，移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，機(jī)器人面臨的環(huán)境和任務(wù)也越來(lái)越復(fù)雜，人們迫切需求一些機(jī)器人可以適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境，控制更智能化，成本更低廉。讓人們真正享受科技的紅利。另一方面當(dāng)今世界能源危機(jī)越來(lái)越嚴(yán)重，人們都在探尋節(jié)能且方便的出行方式，二輪小車(chē)就可以比四輪節(jié)能，因而這個(gè)原因提高了人們研究的熱情，同時(shí)兩輪車(chē)比較簡(jiǎn)單?出行瀟灑自如，可以急轉(zhuǎn)彎，狹窄空間運(yùn)行比較
4、靈活，受到年輕消費(fèi)者的追捧，因而有廣泛的市場(chǎng)價(jià)值。當(dāng)代社會(huì)數(shù)據(jù)處理芯片的速度越來(lái)越快，各類(lèi)傳感器飛速發(fā)展，而且集成的元器件價(jià)格比較便宜，為平衡機(jī)器人研究奠定了物資基礎(chǔ)。作為一個(gè)自動(dòng)化畢業(yè)生，主要研究動(dòng)態(tài)控制，設(shè)計(jì)合理的電路原理圖，并把設(shè)計(jì)的硬件和軟件結(jié)合，達(dá)到自動(dòng)控制的效果，且控制穩(wěn)定可靠。而兩輪自平衡機(jī)器人就是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)控制過(guò)程，很注重應(yīng)用性，對(duì)所學(xué)知識(shí)的一次綜合運(yùn)用，可以大大提高我的分析和設(shè)計(jì)能力，所以研究這個(gè)課題，具有雙重價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2002年，美國(guó)Lego公司的Steve?Hassenplug設(shè)計(jì)了兩輪自平衡傳感式機(jī)器人Legway。這個(gè)設(shè)計(jì)采用
5、了電機(jī)的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，它可以工作在傾斜面甚至不規(guī)則表面上，可遙控操作。通過(guò)對(duì)電機(jī)進(jìn)行遙控，Legway可以在進(jìn)行前進(jìn)，后退和轉(zhuǎn)彎時(shí)保持平衡，可以實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)彎和U型。圖1.1Legway2002年，三洋電機(jī)展示了可以靠上體倒立來(lái)保持平衡的雙輪行走機(jī)器人“FLATHRU”，移動(dòng)速度方便，平地行走時(shí)最大30cm/s，可搬運(yùn)重量可達(dá)10kg58湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1小時(shí)。車(chē)輪中嵌有一個(gè)輸入功率為90W的直流電動(dòng)機(jī)，頭部則嵌入了兩個(gè)相同的電動(dòng)機(jī)。為了檢測(cè)上體的平衡情況，使用了3個(gè)陀螺儀和1個(gè)3軸加速器傳感器。美國(guó)發(fā)明家DeanKamen開(kāi)發(fā)的“SEGWA
6、YHT”是一款實(shí)用的商業(yè)化的兩輪機(jī)器人?？梢元?dú)立載人，并保持平衡的運(yùn)行，它模仿人兩腳平衡行走原理——人的小腦有靈敏控制細(xì)胞，可以快速精確知道重心位置，并控制腳肌的作用保持平衡，用陀螺儀進(jìn)行模擬神經(jīng)，電機(jī)模仿兩腳，其外觀如圖1.2所示。機(jī)器人使用了5個(gè)陀螺儀和一個(gè)數(shù)據(jù)融合集成器解決了多參數(shù)的融合問(wèn)題，同時(shí)采用高速處理器以20000次/秒的速度調(diào)整車(chē)身姿態(tài)。使系統(tǒng)較好保持直立狀態(tài)。圖1.2美國(guó)SEGWAY中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究出兩輪代步電動(dòng)車(chē)，利用在車(chē)內(nèi)的CPU控制器，處理平衡、速度、加速度傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)動(dòng)力學(xué)理論建立合理的力學(xué)模型，根據(jù)模型設(shè)置相應(yīng)模糊自適應(yīng)控制算法，
7、輸出PWM控制兩個(gè)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使電動(dòng)車(chē)可以根據(jù)人體的重心偏移，自動(dòng)前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)彎從而保持重心平衡和正常前進(jìn)。該車(chē)可控制靈活，并可以任意轉(zhuǎn)彎，運(yùn)行速度快，行走距離長(zhǎng)。上面這些研究成果，給我們很多經(jīng)驗(yàn)，提供了很多研究方法，也啟發(fā)我們創(chuàng)新，總結(jié)前人，開(kāi)發(fā)新的合理的開(kāi)發(fā)方案。從以上研究可以發(fā)現(xiàn)，一般選擇陀螺儀、加速度計(jì)、傾斜角傳感器、超聲測(cè)距儀、紅外線等傳感器，通過(guò)建立平衡模型，并用先進(jìn)的控制算法模擬，采用很快的控制器快速調(diào)整車(chē)模姿態(tài)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)軟件是控制核心，因?yàn)橛布鄷?huì)提高成本且不穩(wěn)定，通過(guò)較好的控制算法可以在原有的硬件基礎(chǔ)
