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1、自动平衡同轴双轮电动小车系统设计Design of Automatic Balance Coaxial Double Electric Car System学生学号： 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 职 称： 起止日期： 2 摘 要本课题旨在研制一种自平衡同轴双轮自平衡小车。该系统是一种两轮左右平行布置的单人电动车，像传统的倒立摆一样，本身是一个自然不稳定体，必须施加强有力的控制手段才能使之稳定。由于它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性，因而对其进行研究具有重要的理论和实践意义。系统以姿态传感器（陀螺仪、加速度计）来检测侧身所处的俯仰状态和状态变化率，通过高速中央处理器计算出
2、适当数据和指令后，驱动电动机产生前进或后退的加速度来达到车体前后平衡的效果。控制技术是运动控制的核心，在实际生产实践中应用最普遍的是各种以PID为代表的基本控制技术。按照偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器，简称为PID调节器，是连续系统中技术成熟且应用广泛的一种调节器。本文对系统用到的PID控制技术做了相应的研究，从理论上分析了变积分的PID控制技术的优势，并在系统的实际测试中获得了良好的效果。关键词 ：自平衡；陀螺仪；加速度计；PID控制AbstractIn this thesis, a two-wheeled vehicle with the characteristic of sel
3、f-balancing was developed. For the prototype design, the vehicle is arranged by two paralleled wheels and powered by electric motor, which is an unstable object needed force to keep balance, just as the traditional inverted pendulum. Since the action principle is similar to rocket flying and robot w
4、aking, this research is meaningful for the theory and practice.According to the inertial sensor (gyroscope, accelerometer ),the monitoring data of pitching state changing are input into the MCU(Micro Control Unit)calculation for the acceleration commands to drive the motor forward/backward for the b
5、alance keeping. Control technique is the core of vehicle movement, which is typical with PID (Proportion Integration Differentiation) technique in practice. PID moderator is a technology-matured moderator for wide application in continuous system, which based on deviation proportion, integration and
6、 differentiation. In this thesis, PID control technique was detailed investigated in theory, especially for the advantages of PID variational integralion, and finally well-performance was achieved in the application.Key words: self-balance; gyroscope; accelerometer; PID目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1前言
7、11.2自平衡同轴双轮小车的研究意义11.3 两轮自平衡小车的发展历程和现状11.3.1国外研究成果21.3.2国内的研究成果31.4 本文的研究内容4第2章 系统原理分析52.1控制系统要求分析52.2平衡控制原理分析62.3姿态检测系统分析72.3.1陀螺仪数据处理72.3.2加速度计数据处理82.3.3传感器数据处理的必要性92.3.4基于卡尔曼滤波的数据融合102.4 PID控制技术122.4.1 PID控制技术的应用现状132.4.2 PID调节规律132.4.3 积分分离的PID算法142.4.4 PID控制器参数的确定14第3章 系统硬件结构163.1系统硬件组成及工作原理163
8、.1.1系统的结构框图163.1.2系统的组成163.2直流无刷电动机173.2.1 直流无刷电机选择理由173.2.2 直流无刷电机调速173.2.3 直流无刷电机控制方法183.3电机驱动器183.3.1电源部分193.3.2功率元件部分193.3.3功率管驱动芯片203.3.4硬件设计中的抗干扰措施213.4陀螺仪223.4.1陀螺仪简介223.4.2 陀螺仪的应用电路233.5加速度计243.5.1加速度计简介243.5.2加速度计应用电路253.6控制器263.6.1微控制器选型263.6.2 AVR 、ATmega16L单片机简介283.6.3复位电路293.6.4 A/D模数转换
9、电路29第四章 系统软件设计与实际测试314.1系统软件功能模块划分314.2软件功能模块设计314.2.1初始化和主循环模块314.2.2 A D采样及采样数据滤波处理模块324.2.2陀螺仪与加速度计输出值转换334.2.3卡尔曼滤波器的软件实现344.2.4平衡PID控制软件实现374.2.5两轮自平衡车的运动控制38结论41致谢42参考文献43第1章 绪 论1.1前言 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
10、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，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，
11、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自平衡同轴双轮小车的研究意义目前现有的机器人或短距离运输工具都以四轮传动机构作为动力系统，其劣势在于系统的占地面积较大、转弯半径较大、行动不够灵活。而我设计的系统可以两轮直立移动，这样就大大减小了占地面积，转弯半径非常小，移动轨迹非常灵活，在场地面积较小或要求灵活运输的场合十分适用。另外与四轮车相比其驱动功率大大减小，为电池长时间供电提供了可能，这也为环保轻型车提供了一种新的思路。另外，无线高速数据传输系统为把该系统应用于无人驾驶进行数据采集或现场勘测提供了有利条件。当需要在人员难以接近的场所进行无人勘测与数据采集
12、时，该车体可以灵活的出入各种环境采集重要的数据发送回来供科技人员研究。1.3 两轮自平衡小车的发展历程和现状 “双轮自平衡”是国外目前相当流行的控制问题，然而在国内几乎没有关于这方面的具有系统性的经验、资料。这不得不说是一大困难。本课题通过对双轮机器人的多种平衡方式的探究，对双轮自平衡作了深入系统的研究，具有很强的原创性，也在一定程度上，为国内这方面研究提供了具有一定参考价值的资料。同时，本课题更注重科学的应用性，构建了一套基于双轮自平衡的地形控制系统。但是，由于本课题涉及面较大，很多课题中的研究项目还停留在较低层次，要更好地对各个构想作具体分析，不少未经验证的设想需借助进一步的实验来检验，可
13、以是今后进一步研究的方向。1.3.1国外研究成果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David P. Anderson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。图1.1Nbot由瑞士联邦技术学院工业电子实验室的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。其外观图如图1.2所示。图1.2 JOE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
14、制整个系统的平衡稳定。由美国发明家 Dean Kamen开发的SEGWAY HT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，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保持自身的直立状态。2004年，Homebrew机器人俱乐部的Ted Larson和 Bob Allen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
15、Robolymipics Best of Show类金牌。图 1.3 SEGWAY HT 图1.4 Bender1.3.2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，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。其实物模型如图1.5所示。 图1.5自平衡机器人 图1.6HIBOT 图1.7固高自平衡小车哈尔滨工业大学也有类似的双轮直立自平衡机器人，如图1.6所示。该系统采用DSP作为控制核心。车体倾斜角度
