平衡小車的研究

1、本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告題目： 姓名： 學(xué)號(hào)： 年級(jí)： 專業(yè)： 指導(dǎo)教師：姓名 職稱 學(xué)科 棗莊學(xué)院教務(wù)處制2015年 3月 17 日說 明一、開題報(bào)告前的準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目確定后，學(xué)生應(yīng)盡快征求指導(dǎo)教師意見，討論題意與整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作計(jì)劃，然后根據(jù)課題要求查閱、收集有關(guān)資料并編寫研究提綱，主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：1研究（或設(shè)計(jì)）的目的與意義。應(yīng)說明此項(xiàng)研究（或設(shè)計(jì)）在生產(chǎn)實(shí)踐上或?qū)δ承┘夹g(shù)進(jìn)行改革帶來的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。有的課題過去曾進(jìn)行過，但缺乏研究，現(xiàn)在可以在理論上做些探討，說明其對(duì)科學(xué)發(fā)展的意義。2國(guó)內(nèi)外同類研究（或同類設(shè)計(jì)）的概況綜述。在廣泛查閱有關(guān)文獻(xiàn)后，對(duì)該類

2、課題研究（或設(shè)計(jì)）已取得的成就與尚存在的問題進(jìn)行簡(jiǎn)要綜述，只對(duì)本人所承擔(dān)的課題或設(shè)計(jì)部分的已有成果與存在問題有條理地進(jìn)行闡述，并提出自己對(duì)一些問題的看法。3課題研究（或設(shè)計(jì)）的內(nèi)容。要具體寫出將在哪些方面開展研究，要重點(diǎn)突出。研究的主要內(nèi)容應(yīng)是物所能及、力所能及、能按時(shí)完成的，并要考慮與其它同學(xué)的互助、合作。4研究（或設(shè)計(jì)）方法?？茖W(xué)的研究方法或切合實(shí)際的具有新意的設(shè)計(jì)方法，是獲得高質(zhì)量研究成果或高水平設(shè)計(jì)成就的關(guān)鍵。因此，在開始實(shí)踐前，學(xué)生必須熟悉研究（或設(shè)計(jì)）方法，以避免蠻干造成返工，或得不到成果，甚至于寫不出畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）。5實(shí)施計(jì)劃。要在研究提綱中按研究（或設(shè)計(jì)）內(nèi)容落實(shí)具體時(shí)間與地

3、點(diǎn)，有計(jì)劃地進(jìn)行工作。二、開題報(bào)告1開題報(bào)告可在指導(dǎo)教師所在教研室或?qū)W院內(nèi)舉行，須適當(dāng)請(qǐng)有關(guān)專家參加，指導(dǎo)教師必須參加。報(bào)告最遲在畢業(yè)（生產(chǎn)）實(shí)習(xí)前完成。2本表（頁面：A4）在開題報(bào)告通過論證后填寫，一式三份，本人、指導(dǎo)教師、所在學(xué)院（要原件）各一份。三、注意事項(xiàng)1開題報(bào)告的撰寫完成，意味著畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作已經(jīng)開始，學(xué)生已對(duì)整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作有了周密的思考，是完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。在開題報(bào)告的編寫中指導(dǎo)教師只可提示2無開題報(bào)告者不準(zhǔn)申請(qǐng)答辯。一、選題依據(jù)（擬開展研究項(xiàng)目的研究目的、意義）目的： 近年來，兩輪自平衡小車的研究開始在美國(guó)、日本、瑞士等國(guó)得到迅速的發(fā)展。建立了多個(gè)

4、實(shí)驗(yàn)原機(jī)型，提出來眾多解決平衡控制的方案，并對(duì)原機(jī)型的自動(dòng)平衡性能與運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了驗(yàn)證。通過對(duì)兩輪自平衡系統(tǒng)的改造，可快速方便的應(yīng)用到眾多環(huán)境中去，如承載、運(yùn)輸、代步等。這其中蘊(yùn)藏著巨大的商機(jī)，相應(yīng)有些國(guó)外公司現(xiàn)在已經(jīng)推出了商業(yè)化產(chǎn)品，并且已經(jīng)投放到了市場(chǎng)。 意義： 兩輪自平衡小車兩輪共軸、獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、車身重中心位于車輪軸上方，通過運(yùn)動(dòng)保持平衡，可以直立運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樘貏e的結(jié)構(gòu)，它對(duì)于地形的變化有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，有著良好的運(yùn)動(dòng)性能，能夠在比較復(fù)雜的環(huán)境里面的工作，和傳統(tǒng)的輪式移動(dòng)機(jī)器人相比較，兩輪自平衡小車有著以下的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）能夠?qū)崿F(xiàn)在原地回轉(zhuǎn)和任意半徑的轉(zhuǎn)向，有更加靈活易變的移動(dòng)軌

5、跡很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)多輪布局的缺點(diǎn)；（2）具有占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，能夠在場(chǎng)地面積很小或者要求靈活運(yùn)輸?shù)膱?chǎng)合上使用；（3）車的結(jié)構(gòu)上有很大的簡(jiǎn)化，可以把車做的更輕更??；（4）有著較小的驅(qū)動(dòng)功率，能夠讓電池長(zhǎng)時(shí)間供電，為環(huán)保型輕車提供了一種新的概念；（5) 機(jī)器人的平衡是個(gè)動(dòng)態(tài)過程；機(jī)器人在平衡點(diǎn)附近不停地變化進(jìn)行調(diào)節(jié)以保持平衡；（6) 重心的高度對(duì)小車運(yùn)動(dòng)和硬件設(shè)計(jì)的限制小。多輪(三輪或以上)移動(dòng)小車雖然可以穩(wěn)定地平衡，可是重心過高則小車啟動(dòng)或急停時(shí)，有傾倒的危險(xiǎn)。因此重心必須要求很低，設(shè)計(jì)時(shí)總是拉大小車的水平截面積，降低高度。這樣會(huì)造成小車體積變大，質(zhì)量增加，某些功能會(huì)受到限制

6、。兩輪自平衡移動(dòng)小車卻無這方面的約束，重心的高低引起的不平衡已經(jīng)通過動(dòng)態(tài)平衡原理解決。因此重心的高低無嚴(yán)格限制，節(jié)省占地面積，可用在場(chǎng)地面積較小或要求靈活運(yùn)輸?shù)膱?chǎng)合；（7) 驅(qū)動(dòng)功率較小，為電池長(zhǎng)時(shí)間供電提供了可能，為環(huán)保輕型車提供了一種新的思路。鑒于這些特點(diǎn)，兩輪自平衡小車有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景。 二、文獻(xiàn)綜述內(nèi)容（在充分收集研究主題相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出問題，找到研究主題的切入點(diǎn)，附主要參考文獻(xiàn)）目前國(guó)內(nèi)外的研究和發(fā)展?fàn)顩r：兩輪自平衡小車自問世以來，迅速成為研究各種控制理論的理想平臺(tái)，具有重大的理論意義，這要?dú)w功于她不穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)性能和系統(tǒng)所具有的非線

7、性。近年來，兩輪自平衡小車的研究開始在美國(guó)、日本、瑞士等國(guó)得到迅速的發(fā)展。建立了多個(gè)實(shí)驗(yàn)原機(jī)型，提出來眾多解決平衡控制的方案，并對(duì)原機(jī)型的自動(dòng)平衡性能與運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了驗(yàn)證。通過對(duì)兩輪自平衡系統(tǒng)的改造，可快速方便的應(yīng)用到眾多環(huán)境中去，如承載、運(yùn)輸 ，代步等。這其中蘊(yùn)藏著巨大的商機(jī)，相應(yīng)有些國(guó)外公司現(xiàn)在已經(jīng)推出了商業(yè)化產(chǎn)品，并且已經(jīng)投放到了市場(chǎng)。國(guó)外方面：早在1 986年，日本電通大學(xué)教授山藤高橋最先提出了兩輪自平衡機(jī)器人的概念，并制造了一個(gè)在導(dǎo)軌上的兩輪倒立擺機(jī)器人。這個(gè)基本的概念就是用數(shù)字處理器來偵測(cè)平衡的改變，然后以平行的雙輪來保持機(jī)器的平穩(wěn)。這款被山藤高橋稱為平行自行車

8、的機(jī)器人開創(chuàng)了兩輪自平衡機(jī)器人研究的先河。在兩輪自平衡小車的研究上，國(guó)外的專家和愛好者們?nèi)〉昧艘幌盗械某晒?，以下介紹國(guó)外兩個(gè)兩輪自平衡小車：由美國(guó)科學(xué)家David.P.Anderson研發(fā)的兩輪自平衡機(jī)器人Nbot基于倒立擺的小型自平衡兩輪車模型，是由HCllrobotcontroller進(jìn)行控制的。由瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院工業(yè)電子實(shí)驗(yàn)室的研究人員研制的名為JOE機(jī)器人，是由DSP芯片進(jìn)行控制的，由瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院工業(yè)電子實(shí)驗(yàn)室的研究人員研制的名為JOE機(jī)器人，是由DSP芯片進(jìn)行控制的，它由車架上方所附的重物模擬實(shí)際車中的駕駛者。 國(guó)內(nèi)方面：我國(guó)在兩輪自平衡機(jī)器人方面的研究也取得了一定的成

9、就，西安電子科技大學(xué)研究出了自平衡兩輪機(jī)器人，它是一種兩輪式左右并行布置結(jié)構(gòu)的自平衡系統(tǒng)。它利用伺服放大器ADS作為控制器，選擇兩個(gè)Maxson電機(jī)作為執(zhí)行元件，采用自適應(yīng)神經(jīng)模糊控制器對(duì)小車這一非線性對(duì)象進(jìn)行大范圍控制，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自平衡；哈爾濱工業(yè)大學(xué)也有類似的雙輪直立自平衡機(jī)器人，該系統(tǒng)采用DSP作為控制核心。車體傾斜角度檢測(cè)采用加速度傳感器和陀螺儀。利用PWM技術(shù)動(dòng)態(tài)控制兩臺(tái)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速?；谶@些完備而可靠的硬件設(shè)計(jì)，使用了一套獨(dú)特的軟件算法，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的平衡控制。近十年來，兩輪自平衡機(jī)器人引起同外許多研究機(jī)構(gòu)和機(jī)器人愛好者極大關(guān)注，各種基于不同目的、不同設(shè)計(jì)方案和控制策略的自平

10、衡系統(tǒng)相繼而生。在這方面國(guó)外的研究比較超前，研制出了一些具有代表性的機(jī)器人，國(guó)內(nèi)的研究基本上處于理論研究與實(shí)踐的初期，只開發(fā)出了少數(shù)的實(shí)驗(yàn)原型機(jī)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動(dòng)化系和力學(xué)系多位教授、博導(dǎo)、博士、碩士研究生和本科生聯(lián)合研制完成的科研成果，又名自平衡電動(dòng)代步車，是實(shí)用的兩輪自動(dòng)平衡車，己能實(shí)用化，兩輪自平衡機(jī)器幾是將倒立擺原理移植到移動(dòng)機(jī)器人上的概念。關(guān)于倒立擺的研究多年來國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研究非常成熟，其文獻(xiàn)也相當(dāng)之多，然而更重要的是如何將倒立擺有效地應(yīng)用在移動(dòng)機(jī)器人上。以上是國(guó)內(nèi)外兩輪自平衡小車的研究現(xiàn)狀，這些小車都對(duì)本課題的研究提供了很好的指導(dǎo)作用。然而，這些機(jī)器人的有關(guān)資料中并沒有對(duì)機(jī)器人速

11、度控制的詳細(xì)介紹。提出問題：怎樣設(shè)計(jì)出一款可以獨(dú)立行走的雙輪自平衡小車，一個(gè)集動(dòng)態(tài)決策和規(guī)劃、環(huán)境感知、行為控制和執(zhí)行等多種功能于一體的綜合復(fù)雜系統(tǒng)，其關(guān)鍵是在解決自平衡的同時(shí)，還能夠適應(yīng)在各種環(huán)境下的控制任務(wù)。通過運(yùn)用外速度傳感器、角速度傳感器等，可以實(shí)現(xiàn)小車的平衡自主前進(jìn)。創(chuàng)新之處：利用慣性技術(shù)、模糊控制使兩輪小車保持平衡，國(guó)內(nèi)外都有一定的研究。本作品旨在前人的研究基礎(chǔ)上，加上了自己的一些創(chuàng)新技術(shù)，使自己設(shè)計(jì)的小車滿足一定場(chǎng)合的要求。創(chuàng)新點(diǎn)：使用MEMS陀螺、加速度計(jì)來測(cè)姿、測(cè)速等，采用模糊控制來控制小車，實(shí)現(xiàn)小車的平衡。特色：（1）能夠?qū)崿F(xiàn)在原地回轉(zhuǎn)和任意半徑的轉(zhuǎn)向，有更加靈活易變的移動(dòng)

12、軌跡很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)多輪布局的缺點(diǎn)；（2）具有占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，能夠在場(chǎng)地面積很小或者要求靈活運(yùn)輸?shù)膱?chǎng)合上使用；（3）車的結(jié)構(gòu)上有很大的簡(jiǎn)化，可以把車做的更輕更?。唬?）有著較小的驅(qū)動(dòng)功率，能夠讓電池長(zhǎng)時(shí)間供電，為環(huán)保型輕車提供了一種新的概念；（5)機(jī)器人的平衡是個(gè)動(dòng)態(tài)過程；機(jī)器人在平衡點(diǎn)附近不停地變化進(jìn)行調(diào)節(jié)以保持平衡；（6)重心的高度對(duì)小車運(yùn)動(dòng)和硬件設(shè)計(jì)的限制小。多輪(三輪或以上)移動(dòng)小車雖然可以穩(wěn)定地平衡，可是重心過高則小車啟動(dòng)或急停時(shí)，有傾倒的危險(xiǎn)。因此重心必須要求很低，設(shè)計(jì)時(shí)總是拉大小車的水平截面積，降低高度。這樣會(huì)造成小車體積變大，質(zhì)量增加，某些功能會(huì)受到限制。兩輪自平衡移動(dòng)小車卻

13、無這方面的約束，重心的高低引起的不平衡已經(jīng)通過動(dòng)態(tài)平衡原理解決。因此重心的高低無嚴(yán)格限制，節(jié)省占地面積，可用在場(chǎng)地面積較小或要求靈活運(yùn)輸?shù)膱?chǎng)合；（7)驅(qū)動(dòng)功率較小，為電池長(zhǎng)時(shí)間供電提供了可能，為環(huán)保輕型車提供了一種新的思路。參考文獻(xiàn)： 1 徐國(guó)華，譚民.移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì)J。機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2001，14(3)  2 劉金琨.智能控制.北京：電子工業(yè)出版社，2005 3 劉斌.兩輪自平衡小車軟硬件研發(fā)與基于模糊線性化模型的變結(jié)構(gòu)控制研究.西安電子科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文.2009   4梅曉榕.自動(dòng)控制元件及線路

14、.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.2004      5 張琛.直流無刷電機(jī)原理及應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社.2009      6 爾桂花,竇曰軒.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).清華大學(xué)出版社.2002  7 阮毅,陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng):運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(第四版).機(jī)械工業(yè)出版社.2009   8 陳永軍,黃聲華,翁惠輝,李俊杰.基于dsPIC的直流無刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)方案J.電機(jī)與控制應(yīng)用，2006  &

15、#160;   9 孔祥宜.自主式雙輪動(dòng)態(tài)平衡移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)研究.上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文.2007      10 張吉昌.單軸雙輪自平衡代步車的研究與設(shè)計(jì).中國(guó)海洋大學(xué)碩士論文.2009 11 謝克明.自動(dòng)控制原理M.北京:電子工業(yè)出版社,2009.  12 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京:高等教育出版社,2006.1. 13 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)M.北京:清華大學(xué)出版社,2005 14 周豐,王南山,陳卉.C語言教程M.武漢:華中科技大學(xué)出版社,2

16、008. 15 邵貝貝.單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004. 16 霍亮.兩輪自平衡電動(dòng)車的關(guān)鍵技術(shù)研究D.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2010. 三、研究方案（主要研究?jī)?nèi)容、目標(biāo)，研究方法）研究?jī)?nèi)容：（1）小車的硬件設(shè)計(jì)； （2）控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)； （3）信號(hào)調(diào)理及控制電路設(shè)計(jì)； （4）PID控制算法研究目標(biāo)： 按照設(shè)計(jì)的一般步驟，對(duì)基本功能部分控制要求，設(shè)計(jì)要求，以及使用說明。每一步都按照設(shè)計(jì)的一般規(guī)則，進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。完成基于單片機(jī)的自平衡小車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。研究方法： 1對(duì)兩輪自平衡小車進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，根據(jù)目標(biāo)任務(wù)實(shí)際相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。  2用拉克朗日平衡法建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并給出系統(tǒng)在各種狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型。  3從系統(tǒng)的線性模型出發(fā)，分析系統(tǒng)的控制性能和穩(wěn)定性。  4運(yùn)用變結(jié)構(gòu)控制理論的基礎(chǔ)知識(shí)，基于變結(jié)構(gòu)控制的最終滑動(dòng)模態(tài)理論設(shè)計(jì)系統(tǒng)的自平衡控制器。  5利用計(jì)算機(jī)仿真，比較滑?？刂破髋c反饋控制器對(duì)于干擾和參