两轮自平衡循迹小车论文

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1、两轮自平衡循迹小车毕业论文目录摘要ⅠABSTRACTⅡ第1章绪论11.1研究背景11.2国内外研究现状11.3本设计这要研究内容3第2章模型建立和理论分析42.1建立直流电机空间状态方程42.2车模的能控能观性52.3建立平衡车倒立摆模型及零极点分布62.4本章小结8第3章系统任务分解及总体设计构架93.1任务分析93.2直立平衡控制93.3速度控制93.4方向控制103.5系统总体设计框架10第4章硬件选型及硬件电路114.1主控芯片STC12C5A60S2114.2电源模块114.3电机驱动模块124.4传感器模块134.5系统控制结构图15第5章传感器数据融合与滤波1

2、65.1惯性传感器数据融合和滤波的必要性165.2卡尔曼数据融合165.3互补滤波1865.4速度滤波19第6章PID控制206.1PID基本介绍206.2数字PID216.3PID控制器的设计21第7章软件设计237.1软件设计主流程图237.2外部中断程序设计257.3各子模块程序设计25第8章机械人安装和调试288.1机械人安装288.2软件调试28总结32致谢33参考文献34附录一Kalman滤波程序36附录二参数说明376第1章绪论1.1研究背景近年来，国内外多家科研单位和企业以及自平衡车的爱好者对自平衡理论的发展做出了许多有益的贡献，大大推进了自平衡技术的发展，

3、同时也出现了一批有代表性的平衡机器人和载人代步车作品。在现代社会中，移动机器人应用也越来越广泛，机器人面临的环境和任务也越来越复杂，人们迫切需求一些机器人可以适应更复杂的环境，控制更智能化，成本更低廉。让人们真正享受科技的红利。另一方面当今世界能源危机越来越严重，人们都在探寻节能且方便的出行方式，二轮小车就可以比四轮节能，因而这个原因提高了人们研究的热情，同时两轮车比较简单 出行潇洒自如，可以急转弯，狭窄空间运行比较灵活，受到年轻消费者的追捧，因而有广泛的市场价值。当代社会数据处理芯片的速度越来越快，各类传感器飞速发展，而且集成的元器件价格比较便宜，为平衡机器人研究奠定了物

4、资基础。作为一个自动化毕业生，主要研究动态控制，设计合理的电路原理图，并把设计的硬件和软件结合，达到自动控制的效果，且控制稳定可靠。而两轮自平衡机器人就是一个复杂的动态控制过程，很注重应用性，对所学知识的一次综合运用，可以大大提高我的分析和设计能力，所以研究这个课题，具有双重价值。1.2国内外研究现状2002年，美国Lego公司的Steve Hassenplug设计了两轮自平衡传感式机器人Legway。这个设计采用了电机的差动驱动方式，它可以工作在倾斜面甚至不规则表面上，可遥控操作。通过对电机进行遥控，Legway可以在进行前进，后退和转弯时保持平衡，可以实现零半径转弯和U

5、型。6图1.1Legway2002年，三洋电机展示了可以靠上体倒立来保持平衡的双轮行走机器人“FLATHRU”，移动速度方便，平地行走时最大30cm/s，可搬运重量可达10kg，运行时间长达1小时。车轮中嵌有一个输入功率为90W的直流电动机，头部则嵌入了两个相同的电动机。为了检测上体的平衡情况，使用了3个陀螺仪和1个3轴加速器传感器。美国发明家DeanKamen开发的“SEGWAYHT”是一款实用的商业化的两轮机器人。可以独立载人，并保持平衡的运行，它模仿人两脚平衡行走原理——人的小脑有灵敏控制细胞，可以快速精确知道重心位置，并控制脚肌的作用保持平衡，用陀螺仪进行模拟神经，

6、电机模仿两脚，其外观如图1.2所示。机器人使用了5个陀螺仪和一个数据融合集成器解决了多参数的融合问题，同时采用高速处理器以20000次/秒的速度调整车身姿态。使系统较好保持直立状态。图1.2美国SEGWAY中国科学技术大学研究出两轮代步电动车，利用在车内的CPU控制器，处理平衡、速度、加速度传感器的测量数据，通过动力学理论建立合理的力学模型，根据模型设置相应模糊自适应控制算法，输出PWM控制两个伺服电机的转动，使电动车可以根据人体的重心偏移，自动前进、后退以及转弯从而保持重心平衡和正常前进。该车可控制灵活，并可以任意转弯，运行速度快，行走距离长。6上面这些研究成果，给我们很

7、多经验，提供了很多研究方法，也启发我们创新，总结前人，开发新的合理的开发方案。从以上研究可以发现，一般选择陀螺仪、加速度计、倾斜角传感器、超声测距仪、红外线等传感器，通过建立平衡模型，并用先进的控制算法模拟，采用很快的控制器快速调整车模姿态。同时发现软件是控制核心，因为硬件多会提高成本且不稳定，通过较好的控制算法可以在原有的硬件基础上大大提高产品性能。受此因此本文对于卡尔曼滤波、互补滤波、PID等都采用软件形式以节约成本。1.1本设计主要研究内容(1)根据小车的实际运动特点建立小车的平衡力学模型，对非线性系统在平衡