雙輪自平衡小車小車開題報告

1、4余傕將工乂）HarbinUniversityOfScienceAndTechnology科研訓練開題報告兩輪自平衡車系統(tǒng)設(shè)計學校：哈爾濱理工大學學院：自動化學院專業(yè)：電子信息科學與技術(shù)班級：電技11-1學號：1112020103日期：2014.12.08項目名稱兩輪自平衡系統(tǒng)設(shè)計項目類型科研訓練起止時間20142014 年 1212 月 8 8 日至 20142014 年 1212 月2727 日指 導教師姓名徐軍職務(wù)/職稱教授姓名馬靜職務(wù)/職稱副教授姓名劉燕職務(wù)/職稱講師、立項依據(jù)1.1 研究目的及意義近年來，兩輪自平衡小車的研究開始在美國、日本、瑞士等國得到迅速的發(fā)展。建立了多個實驗原機

2、型，提出來眾多解決平衡控制的方案，并對原機型的自動平衡性能與運動特性進行了驗證。通過對兩輪自平衡系統(tǒng)的改造，可快速方便的應(yīng)用到眾多環(huán)境中去，如承載、運輸、代步等。這其中蘊藏著巨大的商機，相應(yīng)肩些國外公司現(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。兩輪自平衡小車兩輪共軸、獨立驅(qū)動、車身重中心位于車輪軸上方，通過運動保持平衡，可以直立運動，因為特別的結(jié)構(gòu)，它對于地形的變化有很強的適應(yīng)能力，有著良好的運動性能，能夠在比較復(fù)雜的環(huán)境里面的工作，和傳統(tǒng)的輪式移動機器人相比較，兩輪自平衡小車有著以下的幾個優(yōu)點：（1 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軌跡很好地彌補了傳統(tǒng)多輪

3、布局的缺點；（2 2）具有占地面積小的優(yōu)點，能夠在場地面積很小或者要求靈活運輸?shù)膱龊仙鲜褂?；? 3）車的結(jié)構(gòu)上有很大的簡化，可以把不做的更輕更?。唬? 4）有著較小的驅(qū)動功率，能夠讓電池長時間供電，為環(huán)保型輕車提供了一種新的概念；（5 5）機器人的平衡是個動態(tài)過程；機器人在平衡點附近不停地變化進行調(diào)節(jié)以保持平衡； （6 6）重心的高度對小車運動和硬件設(shè)計的限制小。多輪（三輪或以上）移動小車雖然可以穩(wěn)定地平衡，可是重心過高則小車啟動或急停時，有傾倒的危險。因此重心必須要求很低，設(shè)計時總是拉大小車的水平截面積，降低高度。這樣會造成小車體積變大，質(zhì)量增加，某些功能會受到限制。兩輪自平衡移動小車卻無

4、這方面的約束，重心的高低引起的不平衡已經(jīng)通過動態(tài)平衡原理解決。因此重心的高低無嚴格限制，節(jié)省占地面積，可用在場地面積較小或要求靈活運輸?shù)膱龊希?（7 7）驅(qū)動功率較小，為電池長時間供電提供了可能，為環(huán)保輕型車提供了一種新的思路。鑒于這些特點，兩輪自平衡小車有著相當廣泛的應(yīng)用前景。兩輪自平衡小車是一個集動態(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，還能夠適應(yīng)在各種環(huán)境下的控制任務(wù)。通過運用外速度傳感器、角速度傳感器等，可以實現(xiàn)小車的平衡自主前進。近十年來，兩輪自平衡機器人引起同外許多研究機構(gòu)和機器人愛好者極大關(guān)注，各種基于不同目的、不同設(shè)計方

5、案和控制策略的自平衡系統(tǒng)相繼而生。在這方面國外的研究比較超前，研制出了一些具有代表性的機器人。設(shè)計出一款可以獨立行走的雙輪自平衡小車，一個集動態(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，還能夠適應(yīng)在各種環(huán)境下的控制任務(wù)。通過運用外速度傳感器、角速度傳感器等，可以實現(xiàn)小車的平衡自主前進。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)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，具有重大的理論意義，這要歸功于她不穩(wěn)定的動態(tài)性能和系統(tǒng)所具有的非線性。早在 19861986 年，日本電通大學教授山藤高橋最先提出了兩輪自平衡機器人的概念，并制造了一

6、個在導軌上的兩輪倒立擺機器人。這個基本的概念就是用數(shù)字處理器來偵測平衡的改變，然后以平行的雙輪來保持機器的平穩(wěn)。這款被山藤高橋稱為平行自行車的機器人開創(chuàng)了兩輪自平衡機器人研究的先河。美國 SegwayLLCSegwayLLC 公司開發(fā)的 SegwayHTSegwayHT 兩輪平臺電動車把人們從傳統(tǒng)的“三點平衡”和以低重心、大商穩(wěn)的底盤設(shè)計來避免傾斜的束縛中解脫出來，通過檢測車體的角度和角述度.用適當?shù)幕貜?fù)轉(zhuǎn)矩來避免傾到摔倒。系統(tǒng)利用 5 5 個慣性比率傳感器（陀螺儀）、2 2 個傾角侍感器、電機編碼器和一世光學腳墊傳感囂把系統(tǒng)的的狀態(tài)提供給了控制器，控制器經(jīng)過運算確定輸入給電機的能量大小。近十

7、年來，兩輪自平衡機器人引起同外許多研究機構(gòu)和機器人愛好者極大關(guān)注，各種基于不同目的、不同設(shè)計方案和控制策略的自平衡系統(tǒng)相繼而生。在這方面國外的研究比較超前，研制出了一些具有代表性的機器人，國內(nèi)的研究基本上處于理論研究與實踐的初期，只開發(fā)出了少數(shù)的實驗原型機。中國科學技術(shù)大學自動化系和力學系多位教授、博導、博士、碩士研究生和本科生聯(lián)合研制完成的科研成果，又名自平衡電動代步車，是實用的兩輪自動平衡車，己能實用化，兩輪自平衡機器幾是將倒立擺原理移植到移動機器人上的概念。關(guān)于倒立擺的研究多年來國內(nèi)外已經(jīng)研究非常成熟，其文獻也相當之多，然而更重要的是如何將倒立擺有效地應(yīng)用在移動機器人上。以上是國內(nèi)外兩輪

8、自平衡小車的研究現(xiàn)狀，這些小車都對本課題的研究提供了很好的指導作用。然而，這些機器人的有關(guān)資料中并沒有對機器人速度控制的詳細介紹。二、項目研究內(nèi)容、研究目標以及擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問題2.1 項目研究內(nèi)容兩輪自平衡小車物理實體的設(shè)計，各部分之間的硬件連接，搭建。小車角速度傳感器，加速度傳感器對自身信息的采集，并實現(xiàn)采集的信息對單片機進行傳送。)單片機軟件的設(shè)計，實現(xiàn)對小車的信息采集控制。2.2 研究目標設(shè)計一款可以獨立行走的雙輪自平衡小車，一個集動態(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，還能夠適應(yīng)在各種環(huán)境下的控制任務(wù)。通過運用外速度傳感器

9、、角速度傳感器等，可以實現(xiàn)小車的平衡自主前進。2.3 擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問題兩輪自平衡小車是一個集動態(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，還能夠適應(yīng)在各種環(huán)境下的控制任務(wù)。通過運用外速度傳感器、角速度傳感器等，可以實現(xiàn)小車的平衡自主前進。技術(shù)關(guān)鍵：測量小車的姿態(tài)、速度等；使用處理芯片對姿態(tài)信息進行處理；使用控制芯片，用模糊控制方法控制小車。主要技術(shù)指標：在一定角度內(nèi)實現(xiàn)平衡，受外界一定干擾能自主恢復(fù)平衡等。兩輪自平衡機器人系統(tǒng)是一個復(fù)雜的機電系統(tǒng)，設(shè)計兩輪自平衡機器人需要設(shè)計其機械系統(tǒng)、電系統(tǒng)及軟件。而電系統(tǒng)是包括控制處理器、傳感器、執(zhí)

10、行機構(gòu)和電源的一個復(fù)雜系統(tǒng)。軟件設(shè)計需設(shè)計機器人的工作流程。因此要設(shè)計一個完整的兩輪自平衡機器人系統(tǒng)就需要對這些部分分別進行設(shè)計并整合，才能完成兩輪自平衡機器人系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計包括軟件設(shè)計和硬件設(shè)計，采用卡爾曼算法的初值計算方法及實際應(yīng)用，雙輪自平衡小車的 PIDPID 控制。三、研究方案、技術(shù)路線小車動態(tài)平衡的基本原理如下圖一所示:圖一動態(tài)平衡原理圖兩輪自平衡機器人系統(tǒng)是一個復(fù)雜的機電系統(tǒng)，設(shè)計兩輪自平衡機器人需要設(shè)計其機械系統(tǒng)、電系統(tǒng)及軟件。而電系統(tǒng)是包括控制處理器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)和電源的一個復(fù)雜系統(tǒng)。軟件設(shè)計需設(shè)計機器人的工作流程。因此要設(shè)計一個完整的兩輪自平衡機器人系統(tǒng)就需要對這

11、些部分分別進行設(shè)計并整合，才能完成兩輪自平衡機器人系統(tǒng)的設(shè)計。兩輪自平衡機器人機械系統(tǒng)設(shè)計兩輪自平衡機器人結(jié)構(gòu)上最顯著的特點在于其只有兩個輪子，而且這兩個輪子要同軸安裝分別驅(qū)動。當然，一個完整的兩輪自平衡機器人還包括控制處理器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、電源等期間。如何將這些系統(tǒng)部件合理地安裝在一起，需要機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計。這部分的設(shè)計由具體安裝時根據(jù)不同模塊的輕重來安排設(shè)計，總體上讓小車承受的重力基本平衡即可。兩輪自平衡機器人電系統(tǒng)設(shè)計兩輪自平衡小車要完成其自平衡的功能，首先需要有其感知器官，感知自身的姿態(tài)，例如，傾角、傾角速度等，得到這些信息需要選擇一些合適的傳感器。而傳感器檢測到的信號，需要一個

12、數(shù)字處理中心來接收處理，才能成為有用的信息。因此還需要選擇一個嵌入式的處理器。在嵌入式處理器中，不僅僅要處理來自傳感器的信息，還要對這些信息綜合分析得出維持機器人平衡的需要采取的措施，因此選擇的嵌入式處理器不僅僅擔負著信息采集的任務(wù)，還扮演著作為控制器的角色。最后，需要有執(zhí)行機構(gòu)在控制周期內(nèi)去執(zhí)行處理器做出的判斷。因此,在兩輪自平衡機器人電系統(tǒng)的設(shè)計中，處理器、傳感器、以及執(zhí)行機構(gòu)的選擇是至關(guān)重要的。本設(shè)計中選用預(yù)計采用加速的傳感器，角速度傳感器，進行采集小車當前的平衡狀況，再把這些信息傳送到主控制器 5252 單片機中。單片機對這些信息進行實時的處理。再把這些信息的處理結(jié)果傳送給電機驅(qū)動器，

13、控制電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向，由此來達到小車自身的平衡。由此可以看出小車的平衡過程是動態(tài)的。具體設(shè)計框圖二如示：圖二系統(tǒng)框圖電源模塊5151單片機電機驅(qū)動模塊傳感器模塊四、項目特色與創(chuàng)新之處特色：（1 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軌跡很好地彌補了傳統(tǒng)多輪布局的缺點；（2 2）具有占地面積小的優(yōu)點，能夠在場地面積很小或者要求靈活運輸?shù)膱龊仙鲜褂茫?（3 3） 車的結(jié)構(gòu)上有很大的簡化， 可以把車做的更輕更??； （4 4）有著較小的驅(qū)動功率，能夠讓電池長時間供電，為環(huán)保型輕車提供了一種新的概念；（5 5）機器人的平衡是個動態(tài)過程；機器人在平衡點附近不停地變化進行調(diào)節(jié)以保持平衡；（

14、6 6）重心的高度對小車運動和硬件設(shè)計的限制小。多輪（三輪或以上）移動小車雖然可以穩(wěn)定地平衡，可是重心過高則小車啟動或急停時，有傾倒的危險。因此重心必須要求很低，設(shè)計時總是拉大小車的水平截面積，降低高度。這樣會造成小車體積變大，質(zhì)量增加，某些功能會受到限制。兩輪自平衡移動小車卻無這方面的約束，重心的高低引起的不平衡已經(jīng)通過動態(tài)平衡原理解決。因此重心的高低無嚴格限制，節(jié)省占地面積，可用在場地面積較小或要求靈活運輸?shù)膱龊?；? 7）驅(qū)動功率較小，為電池長時間供電提供了可能，為環(huán)保輕型車提供了一種新的思路。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)計的小車滿足一定場合的要求。創(chuàng)新點：使用 MEMMEM 鴕螺、加速度計來測姿、測速等，采用模糊控制來控制小車，實現(xiàn)小車的平衡。參加科研訓練開題報告會，確定科研訓練題目準備完成開題報告書完成科研訓練開題報告書電路板焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計與調(diào)硬件電路調(diào)試軟件調(diào)試聯(lián)合調(diào)試綜合測試答辯與成績評定五、進度安排1 1、20142014 年 1212 月 0808 日2 2、20142014 年 1212 月 0909 日3 3、20142014 年 1212 月 1010 日4 4、2014