两轮自平衡电动车控制系统设计与研究

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1、分类号______________________________密级______________________________ＵＤＣ______________________________编号______________________________硕士学位论文两轮自平衡电动车控制系统设计与研究学位申请人：朱年华学科专业：控制科学与工程指导教师：陈鹏展副教授答辩日期：独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中

2、不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得华东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人签名_______________日期____________关于论文使用授权的说明本人完全了解有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定，无保密内容。本人签名____________导

3、师签名__________日期___________摘要两轮自平衡电动车控制系统设计与研究摘要两轮自平衡电动车作为一种代步工具，构思源自于倒立摆，系统本身是一个不稳定体，需要施加控制方法使其保持动态稳定。姿态检测、平衡控制算法、电机驱动共同完成了平衡车的控制任务，姿态检测为控制系统提供实时反馈信息，平衡控制算法根据实时反馈信息输出驱动指令控制驱动系统保持车体平衡。稳定、准确、动态性能好的姿态检测系统及平衡控制算法是两轮自平衡车控制系统研究的核心内容，是两轮自平衡车能够安全可靠运行的保障。本文在总结和归纳国内外两轮自平衡

4、车的研究现状后，从姿态检测模块、处理器模块、电机驱动模块对两轮自平衡车进行设计与研究。选用运动传感器MPU9150完成姿态检测与采集，主控制器采用的是stm32系列微处理器，选用250w、24v的直流无刷电机作为动力，设计电机驱动板，组装两轮自平衡电动车模型。编写姿态数据处理程序、无刷电机驱动程序、平衡控制程序，通过分析两轮车样机运动状态，验证本文设计的控制系统的可行性。本文针对两轮自平衡车的实物模型，运用动力学方法及拉格朗日方程法对平衡车进行模型建立。得到平衡车的模型方程，并以此模型设计运动控制算法，通过MATLAB

5、仿真分析控制效果，得到理论分析结果。在实际设计过程中，姿态检测是平衡车整个控制系统的基础，为了得到稳定可靠的的车体姿态信息，采用互补滤波对陀螺仪和加速度两者所采集的数据进行优化处理，设计了一种基于多传感器数据融合的姿态检测系统，使平衡车在单一传感器失效的情况下能够继续正常运行，具备一定的容错性。在运动控制策略方面，从系统的稳定性、快速性和准确性上考虑，选择经典的PID控制器，结合车体姿态数据，得到驱动电机的PWM值，实现两轮自平衡车的动态平衡。通过对系统进行相关的实验设计，验证了本文所设计的两轮自平衡车控制系统的稳定性

6、和可靠性，可为今后两轮自平衡车的研究和设计提供新的借鉴思路，具有一定的创新性和应用价值。关键词：自平衡，互补滤波，PID控制，电机驱动IAbstractDesignandResearchoncontrolsystemoftwo-wheeledself-balancingvehicleABSTRACTTwo-wheeledself-balancingelectricvehicleasatransport,thedesigncomesfromtheinvertedpendulum,thesystemitselfisanun

7、stablebody,needtoexertcontrolmethodtomaintainthedynamicstability.Itisdifferentwiththetraditionalmeansoftransport,thevehicleistwoside-by-sidelayout.Becauseofitshighlyintelligent,greenenvironmentalprotection,coversanareaofsmall,flexible,manylargesquares,airports,i

8、ndoorvenues,tourismandleisuredistrictcanseeitsshadow.Inadditiontotheapplicationinthetransportfield,inthefieldofrobotics,theapplicationoftwo-wheeledself-balancingrobot