两轮自平衡小车设计论文

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1、两轮自平衡小车设计毕业论文目录1绪论51.1两轮自平衡小车的研究意义51.2两轮自平衡小车的发展历程和现状51.2.1国外的研究成果51.2.2国内的研究成果71.3本论文的工作72驱动硬件构建92.1引言92.2直流无刷电机92.2.1直流无刷电机选择理由92.2.2直流无刷电机工作原理102.2.3直流无刷电机调速102.2.4直流无刷电机控制方法122.3驱动电路设计132.3.1系统电源模块142.3.2功率元件部分162.3.3功率驱动电路162.3.4CPU微控制器172.3.5电流检测电路172.4

2、传感器元件172.5硬件设计中抗干扰措施183传感器数据处理193.1引言193.2光电编码器193.3陀螺仪20613.3.1陀螺仪简介203.3.2陀螺仪的漂移问题203.4加速度计213.5传感器数据处理的必要性223.6数据处理224自平衡小车控制策略研究234.1引言234.2平衡的实现234.3系统数学模型244.3.1车轮模型254.3.2车身模型264.4PID技术304.4.1应用现状314.4.2PID调节规律314.5极点配置324.5.1极点配置条件334.5.2极点配置控制器365总结3

3、8致谢40参考文献41附录143附录261611绪论1.1两轮自平衡小车的研究意义移动机器人是机器人学的一个重要分支，对于移动机器人的研究，包括轮式、腿式、履带式以及水下式机器人等，可以追溯到20世纪60年代。移动机器人得到快速发展有两方面原因：一是其应用范围越来越广泛；二是相关领域如计算、传感、控制及执行等技术的快速发展。移动机器人尚有不少技术问题有待解决，因此近几年对移动机器人的研究相当活跃。近年来，随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，所面临的环境和任务也越来越复杂。机器人经常会遇到一些比较狭窄，而

4、且有很多大转角的工作场合，如何在这样比较复杂的环境中灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。双轮自平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的。两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器人[1]，是一种多变量、非线性、强耦合的系统，是检验各种控制方法的典型装置。同时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。因为它既有理论研究意义又有实用价值，所以两轮自平衡小车的研究在最近十年引起了大量机器人技术实验室的广泛关注。1.2两轮自平衡小车的发展历程和现状在两轮自平衡机器人的研

5、究领域，美国、日本和瑞士等国家研究得较多，而且己经达到了一个很高的水平，国内的研究相对还比较少。以下分别介绍国内外一些主要的两轮自平衡机器人。1.2.1国外的研究成果在两轮自平衡小车的研究上，国外的专家和爱好者们取得了一系列的成果，以下介绍国外几个比较先进的两轮自平衡小车：由美国科学家DavidP.Anderson[2]研发的两轮自平衡机器人Nbot基于倒立摆的小型自平衡两轮车模型，是由HCllrobotcontr0ller进行控制的。其外观图如图1.1所示。61图1.1Nbot由瑞士联邦技术学院工业电子实验室的

6、研究人员研制的名为JOE是由DSP芯片进行控制的。它由车架上方所附的重物模拟实际车中的驾驶者[3]。其外观图如图1.2所示。图1.2JOE机器人研究人员通过陀螺仪和光电编码器测量的数据，用线性状态反馈控制器来控制整个系统的平衡稳定。由美国发明家DeanKamen开发的‘SEGWAYHT’两轮个人交通工具是一个更为实用、成熟以及商业化的两轮运载车的版本。它可以承载站立在平台上的驾驶者，并在保持平衡的状态下在多种路面上进行便捷的运动[4]，其外观如图1.3所示。它使用了五个陀螺仪和一个收集其他角度传感器数据的集成器来

7、保持自身的直立状态。2004年，Homebrew机器人俱乐部的TedLarson和Bob61Allen制作了如图1.4所示的两轮自平衡机器人Bender，并在机器人上安装了一个摄像头使它也成为一款自主移动机器人。它由三层板构成，支架做得很高，使重心竖直靠上。但其平衡表现很出色，获得了第一届年度Robolymipics''BestofShow''类金牌。图1.3SEGWAYHT图1.4Bender1.2.2国内的研究成果我国在两轮自平衡机器人方面的研究也取得了一定的成就：西安电子科技大学研究出了自平衡两轮机器人[5

8、]，它是一种两轮式左右并行布置结构的自平衡系统。它利用伺服放大器ADS作为控制器，选择两个Maxson电机作为执行元件，采用自适应神经模糊控制器对小车这一非线性对象进行大范围控制，从而实现系统的自平衡。哈尔滨工业大学也有类似的双轮直立自平衡机器人，该系统采用DSP作为控制核心。车体倾斜角度检测采用加速度传感器和陀螺仪。利用PWM技术动态控制两台直流电机的转速。基于这些完备