雙輪自平衡小車(chē)小車(chē)開(kāi)題報(bào)告

1、雙輪自平穩(wěn)小車(chē)小車(chē)開(kāi) 題報(bào)告Harbin University Of Science And Technology文稿歸稿存檔編號(hào)： KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00LFDQS58-科研訓(xùn)練開(kāi)題報(bào)告兩輪自平穩(wěn)車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)校：哈爾濱理工高校學(xué)院：自動(dòng)化學(xué)院專(zhuān)業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)班級(jí)：電技 11-1 姓名：鄧敏3 項(xiàng)目名稱(chēng) 兩輪自平穩(wěn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目類(lèi)型 科研訓(xùn)練指起止時(shí)間2022 年 12 月 8 日 至 2022 年 12 月 27 日姓名徐軍職務(wù)/ 職稱(chēng)教授導(dǎo) 教姓名馬靜職務(wù)/ 職稱(chēng)副教授Harbin University Of Science And Techno

2、logy師姓名劉燕職務(wù)/ 職稱(chēng)講師一、立項(xiàng)依據(jù) 1.1 討論目的及意義 近年來(lái),兩輪自平穩(wěn)小車(chē)的討論開(kāi)頭在美國(guó)、日本、瑞士等國(guó)得到 快速的進(jìn)展；建立了多個(gè)試驗(yàn)原機(jī)型,提出來(lái)眾多解決平穩(wěn)掌握的方案,并對(duì)原機(jī)型的自動(dòng)平穩(wěn)性能與運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了驗(yàn)證；通過(guò)對(duì)兩輪自 平穩(wěn)系統(tǒng)的改造,可快速便利的應(yīng)用到眾多環(huán)境中去,如承載、運(yùn)輸、代步等；這其中隱藏著龐大的商機(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)；兩輪自平穩(wěn)小車(chē)兩輪共軸、獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、車(chē)身重中心位于車(chē)輪軸上 方,通過(guò)運(yùn)動(dòng)保持平穩(wěn),可以直立運(yùn)動(dòng),由于特殊的結(jié)構(gòu),它對(duì)于地勢(shì)的變化有很強(qiáng)的適應(yīng)才能,有著良好的運(yùn)動(dòng)性能,能夠在比較復(fù)雜的環(huán)

3、境里面的工作,和傳統(tǒng)的輪式移動(dòng)機(jī)器人相比較,兩輪自平穩(wěn)小車(chē)有著以下的兒個(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 敏捷易變的移動(dòng)軌跡很好地補(bǔ)償了傳統(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敏捷運(yùn)輸?shù)膱?chǎng)合上使用；（3）車(chē)的結(jié)構(gòu)上有很大的簡(jiǎn)化,可以把車(chē)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(chē)供應(yīng)了一種新的 概念； （5）機(jī)器人的平穩(wěn)是個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程；機(jī)器人在平穩(wěn)點(diǎn)鄰近不停地變化進(jìn)行調(diào)劑以保持平穩(wěn)； （6）重心的高度對(duì)小車(chē)運(yùn)動(dòng)和硬件設(shè)計(jì)的限制 ?。欢噍啠ㄈ喕蛞陨希┮苿?dòng)小車(chē)雖然可以穩(wěn)固地平穩(wěn),可是重心過(guò)高就小車(chē)啟動(dòng)或急

4、停時(shí),有傾倒的危急；因此重心必需要求很低,設(shè)計(jì)時(shí)總 是拉大小車(chē)的水平截面積,降低高度；這樣會(huì)造成小車(chē)體積變大,質(zhì)量增加,某些功能會(huì)受到限制；兩輪自平穩(wěn)移動(dòng)小車(chē)卻無(wú)這方面的約束,重心的高低引起的不平穩(wěn)已經(jīng)通過(guò)動(dòng)態(tài)平穩(wěn)原懂得決；因此重心的高低 無(wú)嚴(yán)格限制,節(jié)約占地面積,可用在場(chǎng)地面積較小或要求敏捷運(yùn)輸?shù)膱?chǎng) 合；（7）驅(qū)動(dòng)功率較小,為電池長(zhǎng)時(shí)間供電供應(yīng)了可能,為環(huán)保輕型車(chē) 供應(yīng)了一種新的思路；鑒于這些特點(diǎn),兩輪自平穩(wěn)小車(chē)有著相當(dāng)廣泛的 應(yīng)用前景；兩輪自平穩(wěn)小車(chē)是一個(gè)集動(dòng)態(tài)決策和規(guī)劃、環(huán)境感知、行為掌握和 執(zhí)行等多種功能于一體的綜合復(fù)雜系統(tǒng),其關(guān)鍵是在解決自平穩(wěn)的同時(shí),仍能夠適應(yīng)在各種環(huán)境下的掌握任務(wù)

5、；通過(guò)運(yùn)用外速度傳感器、角 現(xiàn)小車(chē)的平穩(wěn)自主前進(jìn)；速度傳感器等,可以實(shí)近十年來(lái),兩輪自平穩(wěn)機(jī)器人引起同外很多討論機(jī)構(gòu)和機(jī)器人愛(ài)好 者極大關(guān)注,各種基于不同目的、不同設(shè)計(jì)方案和掌握策略的自平穩(wěn)系統(tǒng)相繼而生；在這方面國(guó)外的討論比較超前,研制出了一些具有代表性 的機(jī)器人；設(shè)計(jì)出一款可以獨(dú)立行走的雙輪自平穩(wěn)小車(chē),一個(gè)集動(dòng)態(tài)決策和規(guī) 劃、環(huán)境感知、行為掌握和執(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IH 平穩(wěn)的同時(shí), 仍能夠適應(yīng)在各種環(huán)境下的掌握任務(wù)；通 過(guò)運(yùn)用外速度傳感器、角速度傳感器等,可以實(shí)現(xiàn)小車(chē)的平穩(wěn)自主前 進(jìn)；1.2 國(guó)內(nèi)外討論現(xiàn)狀及進(jìn)展動(dòng)態(tài) 兩輪自平穩(wěn)小車(chē)自問(wèn)世以來(lái),快速成為討論各種

6、掌握理論的抱負(fù)平 臺(tái),具有重大的理論意義,這要?dú)w功于她不穩(wěn)固的動(dòng)態(tài)性能和系統(tǒng)所具有的非線性；早在 1 986 年,日本電通高校教授山藤高橋最先提出了兩輪自平穩(wěn) 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(lái)偵測(cè)平穩(wěn)的轉(zhuǎn)變,然后以平行的雙輪來(lái)保持 機(jī)器的平穩(wěn)；這款被山藤高橋稱(chēng)為平行自行車(chē)的機(jī)器人開(kāi)創(chuàng)了兩輪自平衡機(jī)器人討論的先河；美國(guó) Segway LLC公司開(kāi)發(fā)的 Segway HT兩輪平臺(tái)電動(dòng)午把人們從傳 統(tǒng)的“ 三點(diǎn)平穩(wěn)” 和以低重心、大商穩(wěn)的底盤(pán)設(shè)計(jì)來(lái)防止傾斜的束縛中解脫出來(lái),通過(guò)檢測(cè)車(chē)體的角度和角述度 . 用適當(dāng)?shù)幕貜?fù)轉(zhuǎn)矩來(lái)防止 傾剖摔倒；系統(tǒng)利用

7、 5個(gè)慣性比率傳感器（陀螺儀）、2 個(gè)傾角侍感器、電 機(jī)編碼器和一世光學(xué)腳墊傳感囂把系統(tǒng)的的狀態(tài)供應(yīng)應(yīng)了掌握器,掌握 量大??；器經(jīng)過(guò)運(yùn)算確定輸入給電機(jī)的能近十年來(lái),兩輪自平穩(wěn)機(jī)器人引起同外很多討論機(jī)構(gòu)和機(jī)器人愛(ài)好 者極大關(guān)注,各種基于不同目的、不同設(shè)計(jì)方案和掌握策略的自平穩(wěn)系統(tǒng)相繼而生；在這方面國(guó)外的討論比較超前,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討論與實(shí)踐的初期,只開(kāi)發(fā)出了少數(shù)的試驗(yàn)原型機(jī)；中國(guó)科學(xué)技術(shù)高校自動(dòng)化系和力學(xué)系多位教授、博導(dǎo)、博士、碩士 討論生和本科生聯(lián)合研制完成的科研成果,又名白平穩(wěn)電動(dòng)代步車(chē),是有用的兩輪自動(dòng)平穩(wěn)車(chē),己能有用化,兩輪自平穩(wěn)機(jī)器兒是將倒立

8、擺原 理移植到移動(dòng)機(jī)器人上的概念；關(guān)于倒立擺的討論多年來(lái)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研究特別成熟,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)外兩輪自平穩(wěn)小車(chē)的討論現(xiàn)狀,這些小車(chē)都對(duì)本課題的 討論提供了很好的指導(dǎo)作用；然而,這些機(jī)器人的有關(guān)資料中并沒(méi)有對(duì) 制的具體介紹；機(jī)器人速度控二、項(xiàng)目討論內(nèi)容、討論目標(biāo)以及擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題 2.1 項(xiàng)目討論內(nèi)容 1）兩輪自平穩(wěn)小車(chē)物理實(shí)體的設(shè)計(jì),各部分之間的硬件連接,搭 建；2）小車(chē)角速度傳感器,加速度傳感器對(duì)自身信息的采集,并實(shí)現(xiàn)釆 集的信息對(duì)單片機(jī)進(jìn)行傳送；3）單片機(jī)軟件的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的信息采集掌握；2.2 討論目標(biāo) 設(shè)計(jì)一

9、款可以獨(dú)立行走的雙輪自平穩(wěn)小車(chē),一個(gè)集動(dòng)態(tài)決策和規(guī) 劃、環(huán)境感知、行為掌握和執(zhí)行等多種功能于一體的綜合復(fù)雜系統(tǒng),其關(guān)鍵是在解決自平穩(wěn)的同時(shí),仍能夠適應(yīng)在各種環(huán)境下的掌握任務(wù)；通 過(guò)運(yùn)用外速度傳感器、角速度傳感器等,可以實(shí)現(xiàn)小車(chē)的平穩(wěn)自主前 進(jìn)；2.3 擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題兩輪自平穩(wěn)小車(chē)是一個(gè)集動(dòng)態(tài)決策和規(guī)劃、環(huán)境感知、行為掌握和 執(zhí)行等多種功能于一體的綜合復(fù)雜系統(tǒng),其關(guān)鍵是在解決自平穩(wěn)的同時(shí),仍能夠適應(yīng)在各種環(huán)境下的掌握任務(wù)；通過(guò)運(yùn)用外速度傳感器、角 速度傳感器等,可以實(shí)現(xiàn)小車(chē)的平穩(wěn)自主前進(jìn)；技術(shù)關(guān)鍵：測(cè)量小車(chē)的姿勢(shì)、速度等；使用處理芯片對(duì)姿勢(shì)信息進(jìn)行處理；使用掌握 芯片,用模糊掌握方法掌握小

10、車(chē)；主要技術(shù)指標(biāo)：在肯定角度內(nèi)實(shí)現(xiàn)平衡,受外界肯定干擾能自主復(fù)原平穩(wěn)等；兩輪自平穩(wěn)機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng),設(shè)計(jì)兩輪自平穩(wěn)機(jī) 器人需要設(shè)計(jì)其機(jī)械系統(tǒng)、電系統(tǒng)及軟件；而電系統(tǒng)是包括掌握處理器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電源的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)；軟件設(shè)計(jì)需設(shè)計(jì)機(jī)器人 的工作流程；因此要設(shè)計(jì)一個(gè)完整的兩輪自平穩(wěn)機(jī)器人系統(tǒng)就需要對(duì)這 才能完成兩輪自平穩(wěn)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；些部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)并整合,系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì),采納卡爾曼算法的初值運(yùn)算方 法及實(shí)際應(yīng)用,雙輪自平穩(wěn)小車(chē)的 PID 掌握；三、討論方案、技術(shù)路線3.1 小車(chē)動(dòng)態(tài)平穩(wěn)的基本原理如下圖一所示：圖一動(dòng)態(tài)平穩(wěn)原理圖兩輪自平穩(wěn)機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)

11、雜的機(jī)電系統(tǒng),設(shè)計(jì)兩輪自平穩(wěn)機(jī) 器人需要設(shè)計(jì)其機(jī)械系統(tǒng)、電系統(tǒng)及軟件；而電系統(tǒng)是包括掌握處理器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電源的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)；軟件設(shè)計(jì)需設(shè)計(jì)機(jī)器人 的工作流程；因此要設(shè)計(jì)一個(gè)完整的兩輪自平穩(wěn)機(jī)器人系統(tǒng)就需要對(duì)這 才能完成兩輪自平穩(wěn)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；3.2 兩輪自平穩(wěn)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)些部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)并整合,兩輪自平穩(wěn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)上最顯著的特點(diǎn)在于其只有兩個(gè)輪子,而且 這兩個(gè)輪子要同軸安裝分別驅(qū)動(dòng)；當(dāng)然,一個(gè)完整的兩輪自平穩(wěn)機(jī)器人仍包括掌握處理器、傳感器、執(zhí)行機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；這部分的設(shè)計(jì)由具體安裝時(shí)依據(jù)不同模塊的輕重來(lái)支配設(shè)

12、計(jì),總體上讓小車(chē)承擔(dān)的重力基 本平穩(wěn)即可；3.3 兩輪自平穩(wěn)機(jī)器人電系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩輪自平穩(wěn)小車(chē)要完成其自平穩(wěn)的功能,第一需要有其感知器官,感知自身的姿勢(shì),例如,傾角、傾角速度等,得到這些信息需要挑選一些合適的傳感器；而傳感器檢測(cè)到的信號(hào),需要一個(gè)數(shù)字處理中心來(lái)接 收處理,才能成為有用的信息；因此仍需要挑選一個(gè)嵌入式的處理器；在嵌入式處理器中,不僅僅要處理來(lái)自傳感器的信息,仍要對(duì)這些信息 綜合分析得出維護(hù)機(jī)器人平穩(wěn)的需要實(shí)行的措施,因此挑選的嵌入式處理器不僅僅擔(dān)負(fù)著信息采集的任務(wù),仍扮演著作為掌握器的角色；最 后,需要有執(zhí)行機(jī)構(gòu)在掌握周期內(nèi)去執(zhí)行處理器做出的判定；因此,在 兩輪自平穩(wěn)機(jī)器人電系統(tǒng)的設(shè)

13、計(jì)中,處理器、傳感器、以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的 挑選是至關(guān)重要的；本設(shè)計(jì)中選用估計(jì)采納加速的傳感器,角速度傳感器,進(jìn)行采集小 車(chē)當(dāng)前的平穩(wěn)狀況,再把這些信息傳送到主掌握器 52 單片機(jī)中；單片機(jī) 對(duì)這些信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理；再把這些信息的處理結(jié)果傳送給電機(jī)驅(qū)動(dòng) 向,由此來(lái)達(dá)到小車(chē)自身的平穩(wěn)；由此可以看出小器,掌握電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)=351 單 片 機(jī)四、項(xiàng)目特色與創(chuàng)新之處 車(chē)的平穩(wěn)過(guò)程是動(dòng)態(tài)的；具體設(shè)計(jì)框圖二如示 : 特色： （1）能夠?qū)崿F(xiàn)在原地回轉(zhuǎn)和任意半徑的轉(zhuǎn)向,有更加敏捷易 變的移動(dòng)軌跡很好地補(bǔ)償了傳統(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敏捷運(yùn)輸?shù)膱?chǎng)合上使用；（3）車(chē) 的

14、結(jié)構(gòu)上有很大的簡(jiǎn)化,可以把車(chē)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(chē)供應(yīng)了一種新的概念；（5）機(jī)器人的平穩(wěn)是個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程；機(jī)器人在平穩(wěn)點(diǎn)鄰近不停地變化進(jìn)行 調(diào)劑以保持平穩(wěn)； （6）重心的高度對(duì)小車(chē)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(chē)雖然可以穩(wěn)固地平穩(wěn),可是重心過(guò)高就小車(chē)啟動(dòng)或急停時(shí),有傾倒的危急；因此重心必需要求很低,設(shè)計(jì)時(shí)總是拉大 小車(chē)的水平截面積,降低高度；這樣會(huì)造成小車(chē)體積變大,質(zhì)量增加,某些功能會(huì)受到限制；兩輪自平穩(wěn)移動(dòng)小車(chē)卻無(wú)這方面的約束,重心的 高低引起的不平穩(wěn)已經(jīng)通過(guò)動(dòng)態(tài)平穩(wěn)原懂得決；因此重心的高低無(wú)嚴(yán)格 或要求敏捷運(yùn)輸?shù)膱?chǎng)合；限制,節(jié)約占地面積,可用在場(chǎng)地面積較?。?）驅(qū)動(dòng)功率較小,為電池長(zhǎng)時(shí)間供電供應(yīng)了可能,為環(huán)保輕型車(chē)供應(yīng) 了一種新的思路；創(chuàng)新之處：利用慣性技術(shù)、模糊掌握使兩輪小車(chē)保持平穩(wěn),國(guó)內(nèi)外 都有一定的討論；本作品旨在前人的討論基礎(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(chē)滿意肯定場(chǎng)合的要求；創(chuàng)新點(diǎn)：使用 MEMS陀 螺、加速度計(jì)來(lái)測(cè)姿、測(cè)速等,采納模糊掌握來(lái)掌握小車(chē),實(shí)現(xiàn)小車(chē)的 平穩(wěn)；五、進(jìn)度支配1、 2022 年 12 月 08 日參與科研訓(xùn)練開(kāi)題報(bào)告會(huì),確定科研訓(xùn)練題目2、 2022 二. 1 二. I 2 2 9 預(yù)備完成開(kāi)題報(bào)告書(shū)3、 2022 X二. X二. X2 2 0 11