基于PID控制器的两轮自平衡小车设计.doc

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1、本科毕业设计基于PID控制器的两轮自平衡小车设计摘要两轮自平衡小车具有体积小、结构简单、运动灵活的特点，适用于狭小和危险的工作空间，在安防和军事上有广泛的应用前景。两轮自平衡小车是一种两轮左右平衡布置的，像传统倒立摆一样，本身是一种自然不稳定体，其动力学方程具有多变量、非线性、强耦合、时变、参数不确定性等特性，需要施加强有力的控制手段才能使其保持平衡。本文在总结和归纳国内外对两轮自平衡小车的研究现状，提出了自己的两轮自平衡小车软硬件设计方案，小车硬件采用陀螺仪和加速度传感器检测车身的重力方向的倾斜角度和车身轮轴方向上的

2、旋转加速度，数据通过控制器处理后，控制电机调整小车状态，使小车保持平衡。由于陀螺仪存在温漂和积分误差，加速度传感器动态响应较慢，不能有效可靠的反应车身的状态，所以软件使用互补滤波算法将陀螺仪和加速度传感器数据融合，结合陀螺仪的快速的动态响应特性和加速度传感器的长时间稳定特性，得到一个优化的角度近似值。文中最后通过实验验证了自平衡小车软硬件控制方案的可行性。关键词：自平衡互补滤波数据融合倒立摆Two-wheeledSelf-balancingRobotMaXuedong(CollegeofEngineering,Sout

3、hChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China)Abstract:Thetwo-wheeledself-balancingrobotissmallinmechanism,withsimplestructureandcanmakeflexiblemotion,suitablefornarrowanddangerousworkspace.Soithaswiderangeofapplicationsinsecurityandmilitary.Thetwo-wheeleds

4、elf-balancingrobotisanaturalunstablesystem.Thedeviceofthissystemisaparallelarrangementoftwosinglewheels,likeatraditionalinvertedpendulum.Itsdynamicsaremulti-variable,non-linear,seriouscouplinganduncertainparametersetc.Itmustbeexertedstrongcontroltomakeitstable.I

5、nthispaper,studiesontwo-wheelself-balancingvehicleathomeandabroadaresummarized.Wedesignedthehardwareandsoftwareofourtwo-wheelself-balancingvehicle.Thecarusingrotationalaccelerometers,gyroscopesandaccelerationsensorstodetectbodyconditionandthestateinwhichthepitch

6、changerate.Thecentralprocessingunitcalculatetheappropriatedataandinstructions,andcontrolthemotortoachievethebodybalancing.BecauseofgyrodriftproblemsandIntegralerrorwithaccelerometersandslowdynamicresponseofaccelerationsensors.Itcan’tprovideeffectiveorreliableinf

7、ormationtoreflecttherealstateofitsbody.Soweusingcomplementaryfiltertofusethedataoftwosensors,sothattheinclinationofitsbodycanbeapproximatedbetter.Finally,weverifiedthefeasibilityofthesystem’shardwareandsoftwarethroughexperiment.KeyWords:Self-Balancingcomplementa

8、ryfilterDataFusionInvertedPendui目录1前言11.1研究意义11.2国内外研究现状11.2.1国外研究成果11.2.2国内研究成果11.3本文的研究内容22两轮平衡车的平衡原理22.1平衡车的机械结构22.2两轮车倾倒原因的受力分析32.3平衡的方法33系统方案分析与选择论证43.1系统方案设计43.