一种双轮车冗余控制系统的研制

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1、北京邮电大学硕．上论文摘要摘要目前平面移动机器人已经取得了长足的发展，但是基于双轮式自平衡移动机器人的研究和应用开发起步较晚，有关方面的应用技术有待更好的发展。双轮式自平衡移动机器人具有结构简单、运动灵活、适合在狭小和危险的空间内工作等优点，因此在民用、军用、航天上有着广泛的应用前景。本文将对系统的稳定性控制算法设计、双绕组无刷电机的冗余控制方法和电源管理方面进行一些研究。双轮自平衡移动机器人的自平衡控制是基于倒立摆的平衡控制原理，而倒立摆控制系统是非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统。系统的稳定性控制是首先要解决的问题，本文采用拉格朗日法建立了自平衡双轮车在平衡点

2、附近的线性化数学模型，并进行相应的转换得出系统解藕控制模型，减轻了软件系统控制设簧的复杂性。接着应用MATLAB计算分析了系统的可控制性和状态反馈极点配置问题。采用DSP2407A作为主控器、IR2110作为驱动芯片，与系统的倾斜角传感器陀螺仪、光电码盘、双绕组三相无刷电机一起构成了自平衡双轮车的稳定控制系统硬件组成。在软件设置方面，采用具有一定自适应能力的“变参数”PID算法实现系统的平衡控制；采用车轮位置“前馈”控制方法解决了车轮转轴产生的机械误差；同时采用“软启动”方法解决了电机正转和反转时对传动机构产生过大冲击力的问题。为了提高控制系统的稳定性和安全性，设计了高

3、可靠性的硬件系统和实现对系统供电电源的在线自动检测、故障保护功能。文章将采用两套功能相同的控制器和驱动器即所谓的“二模冗余控制”对双绕组无刷电机的两套独立绕组进行冗余控制。两套独立控制系统组成相互备份的工作模式，提高了整个车体控制系统的安全性。此外，分析了冗余系统的“仲裁器”设计方法和系统的同步性控制问题。电池组供电系统是车体动力的来源，电池组工作的健康状况，对车体的J下常运转具有直接决定作用，因此本文最后采用电池电源管理专用芯片DS2788设计一套完整的电源管理器，实现对电源的电压量、电流量、温度和剩余容量的在线检测和估算，提高了电池电源工作效率和寿命。关键词：自平衡

4、双轮车冗余控制DSP控制器同步性控制仲裁器电源管理器双绕组无刷直流电机ⅡDESIGNOFREDUNDANCYCONTROLSYSTEMBASEDoNTWOWHEELEDSELFBALANCINGROBoTAbstractNowadays，planarmobilerobothasbeenusagedwidelyinfieldsofindustry,However,theconceptoftwo．wheeledself-balancingrobotwaspresentedlaterly,soitsapplicationtechnologyisinsearchofdeeper

5、development．Moreover,therobotissimpleinmechanicalstructureandcanmoveflexibly,workinnarrowanddangerousspace．Therefore，ithasawideapplicationprospectincivilian，militaryandaeronautics．ThisPapermainlyfocusesonthesystemstability,theredundancycontrolsystemdesigningbasedOildual—ringBLDCmotorandt

6、hepowersupplymanagement．Theself-balancingprincipleoftherobotcomesfromtheinvertedpendulumcontroltechniques．Thissystemisanon．1inear,seriouscoupling，multi．variableandunstablesystem．Thestabilityisthekeypointtoselfbalancesystem．alinearmathemodeliSbuiltnearthesystembalancepointbyLagrangemethod

7、，anditsdecouplingmodelisalsoworkedoutinordertoreducethecontroldesigningcomplexity．Meanwhile，analysethecontrollableandthepeakallocationofthecontrolmodelbvMATLAB．ThemastercontrollerbasedonDSP2407A，thepowerdriverwithIR2110,thegyrofordetectingtheslopeangleofthewheele．thephoto