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《雙輪自平衡機器人的移動控制系統(tǒng)設(shè)計論文》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、雙輪自平衡機器人的移動控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文目錄摘要ⅠABSTRACTⅡ第1章緒論11.1研究背景11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3本設(shè)計這要研究內(nèi)容3第2章模型建立和理論分析42.1建立直流電機空間狀態(tài)方程42.2車模的能控能觀性52.3建立平衡車倒立擺模型及零極點分布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電機驅(qū)動模塊124.4傳感器
2、模塊134.5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165.2卡爾曼數(shù)據(jù)融合1665.3互補濾波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21第7章軟件設(shè)計237.1軟件設(shè)計主流程圖237.2外部中斷程序設(shè)計257.3各子模塊程序設(shè)計25第8章機械人安裝和調(diào)試288.1機械人安裝288.2軟件調(diào)試28總結(jié)32致謝33參考文獻34附錄一Kalman濾波程序36附錄二參數(shù)說明3766第1章緒論1.1研究背景近年來，國內(nèi)外
3、多家科研單位和企業(yè)以及自平衡車的愛好者對自平衡理論的發(fā)展做出了許多有益的貢獻，大大推進了自平衡技術(shù)的發(fā)展，同時也出現(xiàn)了一批有代表性的平衡機器人和載人代步車作品。在現(xiàn)代社會中，移動機器人應(yīng)用也越來越廣泛，機器人面臨的環(huán)境和任務(wù)也越來越復(fù)雜，人們迫切需求一些機器人可以適應(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)今世界能源危機越來越嚴(yán)重，人們都在探尋節(jié)能且方便的出行方式，二輪小車就可以比四輪節(jié)能，因而這個原因提高了人們研究的熱情，同時兩輪車比較簡單?出行瀟灑自如，可以急轉(zhuǎn)彎，狹窄空間運行比較靈活，受到
4、年輕消費者的追捧，因而有廣泛的市場價值。當(dāng)代社會數(shù)據(jù)處理芯片的速度越來越快，各類傳感器飛速發(fā)展，而且集成的元器件價格比較便宜，為平衡機器人研究奠定了物資基礎(chǔ)。作為一個自動化畢業(yè)生，主要研究動態(tài)控制，設(shè)計合理的電路原理圖，并把設(shè)計的硬件和軟件結(jié)合，達到自動控制的效果，且控制穩(wěn)定可靠。而兩輪自平衡機器人就是一個復(fù)雜的動態(tài)控制過程，很注重應(yīng)用性，對所學(xué)知識的一次綜合運用，可以大大提高我的分析和設(shè)計能力，所以研究這個課題，具有雙重價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2002年，美國Lego公司的Steve?Hassenplug設(shè)計了兩輪自平衡傳感式
5、機器人Legway。這個設(shè)計采用了電機的差動驅(qū)動方式，它可以工作在傾斜面甚至不規(guī)則表面上，可遙控操作。通過對電機進行遙控，Legway可以在進行前進，后退和轉(zhuǎn)彎時保持平衡，可以實現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)彎和U型。圖1.1Legway2002年，三洋電機展示了可以靠上體倒立來保持平衡的雙輪行走機器人“FLATHRU”，移動速度方便，平地行走時最大30cm/s，可搬運重量可達10kg6，運行時間長達1小時。車輪中嵌有一個輸入功率為90W的直流電動機，頭部則嵌入了兩個相同的電動機。為了檢測上體的平衡情況，使用了3個陀螺儀和1個3軸加速器傳感器。美國發(fā)
6、明家DeanKamen開發(fā)的“SEGWAYHT”是一款實用的商業(yè)化的兩輪機器人?？梢元毩⑤d人，并保持平衡的運行，它模仿人兩腳平衡行走原理——人的小腦有靈敏控制細胞，可以快速精確知道重心位置，并控制腳肌的作用保持平衡，用陀螺儀進行模擬神經(jīng)，電機模仿兩腳，其外觀如圖1.2所示。機器人使用了5個陀螺儀和一個數(shù)據(jù)融合集成器解決了多參數(shù)的融合問題，同時采用高速處理器以20000次/秒的速度調(diào)整車身姿態(tài)。使系統(tǒng)較好保持直立狀態(tài)。圖1.2美國SEGWAY中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究出兩輪代步電動車，利用在車內(nèi)的CPU控制器，處理平衡、速度、加速度傳感器
7、的測量數(shù)據(jù)，通過動力學(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，輸出PWM控制兩個伺服電機的轉(zhuǎn)動，使電動車可以根據(jù)人體的重心偏移，自動前進、后退以及轉(zhuǎn)彎從而保持重心平衡和正常前進。該車可控制靈活，并可以任意轉(zhuǎn)彎，運行速度快，行走距離長。上面這些研究成果，給我們很多經(jīng)驗，提供了很多研究方法，也啟發(fā)我們創(chuàng)新，總結(jié)前人，開發(fā)新的合理的開發(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、傾斜角傳感器、超聲測距儀、紅外線等傳感器，通過建立平衡模型，并用先進的控制算法模擬，采用很快的控制器快速調(diào)整車模姿態(tài)。同時發(fā)現(xiàn)軟件是
8、控制核心，因為硬件多會提高成本且不穩(wěn)定，通過較好的控制算法可以在原有的硬件基礎(chǔ)上大大提高產(chǎn)品性能。受此因此本文對于卡爾曼濾波、互補濾波、PID等都采用軟件形式以節(jié)約成本。1.1本設(shè)計主要研究內(nèi)容(1)6根據(jù)小車的實際運動特點建立小車的平衡力學(xué)模型，
