两轮自平衡巡检机器人的设计与实现

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1、DesignandImplementationofTwo-wheeledSelf-balancingInspectionRobotShanJiming西北师范大学工程硕士学位论文摘要两轮自平衡机器人隶属于轮式机器人的范畴，具有结构简单、运动灵便、体积较小等特点。它能够适应各类工作环境，在工业和军事等方面的应用前景非常广阔。作为一种典型的不稳定控制系统，它可以在控制策略上为大型的两轮自平衡机器人实验提供模型。因此，自平衡机器人相关问题已经成为机器人研究的热点之一，在理论和实用性等方面都具有重要意义。本文根据倒立摆原理搭建了两轮

2、自平衡巡检机器人，并对其数学模型和平衡控制策略进行研究。该系统硬件主要包括单片机系统、电源模块、电机驱动模块、姿态传感器模块、数据采集模块、视频采集模块及WiFi传输模块等。整个系统具有较强的稳定性和可靠性，并且能够通过上位机进行实时控制和采集视频及环境数据。在对控制策略的研究中，应用了PID控制，并利用Kalman滤波对倾角数据进行优化。在运行调试时，首先进行仿真实验，然后对机器人进行实际调试。实验结果证明，自平衡机器人的物理系统、数学模型以及相应的控制策略具有合理性、有效性和可行性。经调试验证，视频信号、环境数据及控制指

3、令能够通过WiFi传输模块实时传输。两轮自平衡机器人能够实现远程操控和巡检检测的功能。关键词：两轮自平衡机器人；PID控制；Kalman滤波；巡检机器人；WiFi-I-两轮自平衡巡检机器人的设计与实现AbstractTwo-wheeledself-balancingrobotbelongstothecategoryofwheeledrobots.Thiskindofrobotissmallandflexible.Itcanadapttodifferentkindsofworkingenvironment.Sotherobot

4、haswideprospectsinthefieldofbothindustryandmilitary.Self-balancingrobotisatypicalunstablecontrolsystem,andthecontrolstrategyofthissystemcanbeappliedtosomelargetwo-wheeledself-balancingrobotsystem.Topicsaboutself-balancingrobotbecomesahotissuethatofgreatsignificance

5、inboththeoreticalandpracticalaspects.Inthisthesis,atwo-wheeledself-balancinginspectionrobotisdesignedbasedontheinvertedpendulummodel.Meanwhile,themathematicalmodelandcontrolstrategyareanalyzed.ThissystemconsistsofSCMsystem,powersupplymodule,motordrivemodule,posture

6、sensormodule,dataacquisitionmodule，videocapturemoduleandWiFimodule.Thissystemisofhighstabilityandreliability,anditcancapturevideoandotherkindsofsignals.Italsocanbecontrolledremotelythroughthehostcomputer.PIDcontrolisappliedtothesystemandKalmanfilterisusedtooptimize

7、theangledatainthispaper.Simulationexperimentsaredonebeforedebugging.Experimentalresultshowsthatthephysicalsystem,mathematicalmodelandappropriatecontrolstrategiesarerational,effectiveandfeasible.Afterdebugging,videosignal,environmentaldataandcontrolinstructionscanbe

8、transmittedviaWiFi.Therobotcancollectenvironmentaldataandcanbecontrolledremotely.KeyWords:Two-wheeledSelf-balancingRobot;PIDControl;KalmanFilter;