雙輪自平衡小車機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作

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1、燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書題目：雙輪自平衡小車機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作學(xué)院（系）：機(jī)械工程學(xué)院年級(jí)專業(yè)：12級(jí)機(jī)械電子工程組號(hào)：3學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：史艷國(guó)姚建濤李艷文史小華張慶玲唐艷華李富娟劉曉飛劉正操胡浩波日期：2015.11燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書院（系）：機(jī)械工程學(xué)院基層教學(xué)單位：機(jī)械電子工程系組號(hào)學(xué)生姓名設(shè)計(jì)題目雙輪自平衡小車機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作設(shè)計(jì)要求在課程研究項(xiàng)目所搭建的伺服控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，自主設(shè)計(jì)加工雙輪車的機(jī)械系統(tǒng)，并完成智能雙輪自平衡車系統(tǒng)裝配與調(diào)試。技術(shù)參數(shù)所搭建的雙輪車系統(tǒng)需要具備以下基本功能：a.具備一定的自平衡能力，自動(dòng)檢測(cè)

2、自身機(jī)械系統(tǒng)的傾角并完成姿態(tài)的調(diào)整；b.具備一定的負(fù)載承載能力，在加載一定重量的重物時(shí)能夠快速做出調(diào)整并保證自身系統(tǒng)的自我平衡；c.具備速度調(diào)節(jié)能力，能夠以不同的運(yùn)動(dòng)速度實(shí)現(xiàn)雙輪車系統(tǒng)的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)等動(dòng)作；d.具備無線通訊功能，能夠?qū)崿F(xiàn)雙輪自平衡車系統(tǒng)的無線遠(yuǎn)程操作控制。工作量（1）資料分析：查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，對(duì)資料進(jìn)行分析總結(jié)。（2）機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：確定機(jī)器人的具體任務(wù)要求，根據(jù)任務(wù)初步擬定機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)形式、機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方案、傳動(dòng)方案、控制方案等。（3）機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：將機(jī)器人分解為車身結(jié)構(gòu)、機(jī)械臂和手爪等若干部分，分別對(duì)各

3、個(gè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)并校核，繪制機(jī)器人總裝圖和關(guān)鍵零部件圖。（4）傳感和信息檢測(cè)及信息傳輸：根據(jù)任務(wù)要求，完成相關(guān)信息檢測(cè)、處理，并完成信息的正確傳輸。（4）運(yùn)動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)；基于傳感信息，采用單片機(jī)完成機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試。（5）編制課程設(shè)計(jì)說明書工作計(jì)劃（1）資料查閱、分析總結(jié)，所需天數(shù)1天（2）總體方案設(shè)計(jì)，所需天數(shù)2天（3）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所需天數(shù)2天（4）傳感、信息傳輸和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所需天數(shù)2天（5）關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)制作，所需天數(shù)2天（6）控制程序編碼與調(diào)試，所需天數(shù)3天（7）繪制總裝圖和關(guān)鍵零件圖，所需天數(shù)

4、2天（8）系統(tǒng)整體裝配與調(diào)試所需天數(shù)3天（9）編制課程設(shè)計(jì)說明書所需天數(shù)2天（10）答辯考核、演示，所需天數(shù)1天參考資料通過校園網(wǎng)在我校訂閱的電子資料庫(kù)中可以搜索到大量的有關(guān)機(jī)電一體化以及電機(jī)和電力拖動(dòng)的參考資料。同學(xué)們也可到學(xué)校的圖書館查找紙質(zhì)期刊資料。機(jī)械學(xué)院的計(jì)算機(jī)中心上班時(shí)間免費(fèi)對(duì)本院學(xué)生開放。指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書摘要兩輪自平衡小車是一種非線性、多變量、強(qiáng)耦合、參數(shù)不確定的復(fù)雜系統(tǒng)，他體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)靈活，適合在狹小空間內(nèi)工作，是檢驗(yàn)各種控制方法的一個(gè)理想裝置，受到廣大研究人員的重視，成為具有挑戰(zhàn)性的課題

5、之一。兩輪自平衡小車系統(tǒng)是一種兩輪左右并行布置的系統(tǒng)。像傳統(tǒng)的倒立一樣，其工作原理是依靠?jī)A角傳感器所檢測(cè)的位姿和狀態(tài)變化率結(jié)合控制算法來維持自身平衡。本設(shè)計(jì)通過對(duì)倒立擺進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，類比得到小車平衡的條件。從加速度計(jì)和陀螺儀傳感器得出的角度。運(yùn)用卡爾曼濾波優(yōu)化，補(bǔ)償陀螺儀的漂移誤差和加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)誤差，得到更優(yōu)的傾角近似值。通過光電編碼器分別得到車子的線速度和轉(zhuǎn)向角速度，對(duì)速度進(jìn)行PI控制。根據(jù)PID控制調(diào)節(jié)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)兩輪直立行走。通過調(diào)節(jié)左右兩輪的差速實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向。制作完成后，小車實(shí)現(xiàn)了在無線藍(lán)牙通訊下前進(jìn)、后退、和左右轉(zhuǎn)向的基本動(dòng)作。此外小車能

6、在正常條件下達(dá)到自主平衡狀態(tài)。并且在適量干擾下，小車能夠自主調(diào)整并迅速恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。關(guān)鍵詞：自平衡陀螺儀控制調(diào)試III燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書前言移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)的一個(gè)重要分支，對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的研究，包括輪式、腿式、履帶式以及水下式機(jī)器人等，可以追溯到20世紀(jì)60年代。移動(dòng)機(jī)器人得到快速發(fā)展有兩方面原因：一是其應(yīng)用范圍越來越廣泛；二是相關(guān)領(lǐng)域如計(jì)算、傳感、控制及執(zhí)行等技術(shù)的快速發(fā)展。移動(dòng)機(jī)器人尚有不少技術(shù)問題有待解決，因此近幾年對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究相當(dāng)活躍。近年來，隨著移動(dòng)機(jī)器人研究不斷深入、應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，所面臨的環(huán)境和任務(wù)也越來越復(fù)雜。機(jī)器人經(jīng)常

7、會(huì)遇到一些比較狹窄，而且有很多大轉(zhuǎn)角的工作場(chǎng)合，如何在這樣比較復(fù)雜的環(huán)境中靈活快捷的執(zhí)行任務(wù)，成為人們頗為關(guān)心的一個(gè)問題。雙輪自平衡機(jī)器人概念就是在這樣的背景下提出來的。兩輪自平衡小車是一個(gè)高度不穩(wěn)定兩輪機(jī)器人，是一種多變量、非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，是檢驗(yàn)各種控制方法的典型裝置。同時(shí)由于它具有體積小、運(yùn)動(dòng)靈活、零轉(zhuǎn)彎半徑等特點(diǎn)，將會(huì)在軍用和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。因?yàn)樗扔欣碚撗芯恳饬x又有實(shí)用價(jià)值，所以兩輪自平衡小車的研究在最近十年引起了大量機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的廣泛關(guān)注。本論文主要敘述了基于stm32控制的兩輪自平衡小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的整個(gè)過程。主要內(nèi)容

8、為兩輪自平衡小車的平衡原理，直立控制，速度控制，轉(zhuǎn)向控制及系統(tǒng)定位算法的設(shè)計(jì)。通過此設(shè)計(jì)使小車