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目录
摘要 I
ABSTRAT II
引言 1
1绪论 1
1.1两轮自平衡车的研究背景及研究意义 1
1.1.1两轮自平衡车的研究背景 1
1.1.2两轮自平衡车的研究意义 2
1.2两轮自平衡车的研究现状 2
1.2.1两轮自平衡车的国外研究现状 2
1.2.2两轮自平衡车的国内研究现状 3
1.3本课题的研究内容及目标 4
2自平衡系统的分析 4
2.1控制目标 4
2.2自平衡系统的控制学原理分析 5
2.2.1自平衡小车平衡原理解析 5
2.2.2自平衡小车的运动学模型分析 7
2.2.3自平衡小车的数学建模 9
3系统硬件组成 11
3.1惯性测量单元 11
3.1.1MPU6050芯片介绍 11
3.1.2MPU6050数据处理 12
3.1.3数据滤波算法 16
3.1.4MPU6050驱动电路 20
3.2主控单元 20
3.3电源模块 21
3.3.1LM2596芯片介绍 21
3.3.2AMS1117芯片介绍 22
3.4电机驱动模块 23
3.5编码器模块 24
4系统程序及算法 25
4.1MPU6050获取数据 25
4.1.1MPU6050初始化 26
4.1.2主函数中的姿态数据处理 26
5两轮自平衡车平衡控制的总结 35
5.1设计的主要内容 35
5.2设计的不足 36
参考文献 37
致谢 38
CONTENTS
ABSTRACT II
INTRODUCTION 1
1EXORDIUM 1
1.1THEBACKGROUNDOFSELF-BALANCEDCAR 1
1.1.1THEBACKGROUND 1
1.1.2RESEARCHMEANINGOFSELF-BALANCECAR 2
1.2THEPRESENTSITUATIONOFRESEARCHOFSELF-BALANCE 2
1.2.1INTERNETIONALSITUATION 2
1.2.2THERESEARCHSITUATIONOFCHINA 3
1.3GOALOFTHISRESEARCH 4
2ANALYSISOFSELF-BALANCESYSTEM 4
2.1THEPURPOSEOFCONTROLSYSTEM 4
2.2CONTROLSCIENCEANALYSIS 5
2.2.1BALANCETHEORYOFSELF-BALANCEDCAR 5
2.2.2KINESIOLOGYMODELANALYSIS 7
2.2.3MATHEMATICALMODELING 9
3HARDWARECOMPONENT 11
3.1INERTIALMEASURMENTUINT 11
3.1.1MPU6050INTRODUCTION 11
3.1.2DATEPROCESSINGOFMPU6050 12
3.1.3ALGORITHMOFDATAFILTER 16
3.1.4DRIVECIRCUITOFMPU6050 20
3.2MAINCONTROLUNIT 20
3.3POWERUNIT 21
3.3.1INTRODUCTIONOFLM2596 21
3.3.2INTRODUCTIONOFAMS1117 22
3.4MOTORDRIVERUNIT 23
3.5ENCODERUNIT 24
4PROGRAMANDALGORITHM 25
4.1MPU6050GETDATA 25
4.1.1INITIALOFMPU6050 26
4.1.2PROCESSINGGESTUREDATAINMAINFUNCTIONG 26
5SUMMARIZEOFBALANCECONTROLINGOFSELF-BALANCECAR 35
5.1MAINSUBSTANCEOFTHISPROJECT 35
5.2BLEMISHOFTHISPROJECT 36
REFERENCEDOCUMENTATION 37
THANKS 38
两轮自平衡车平衡控制系统的研究
王恒
(山东农业大学机械与电子工程学院泰安271018)
摘要:
自从在2008年北京奥运会上的精彩亮相,两轮自平衡车在中国市场已经逐渐为大众所接受。
节能环保、便携新颖,两轮自平衡车以其独特的优势博取人们的青睐。
又两轮自平衡小车以其一级倒立摆结构成为控制算法验证实现的独特平台。
因此,两轮自平衡小车有较高的研究价值。
本设计的重点是抓住两轮自平衡车的基础即平衡控制进行系统设计,结合姿态解算数据融合算法驱动直流电机以实现两轮小车的平衡控制。
关键词:
自平衡姿态解算数据滤波倒立摆Theresearchofself-balancedcarcontrolsystem
HengWang
(Mechanical&
ElectricalEngineeringCollegeofShandongAgriculturalUniversity,Tai’an,Shandong271018)
AbstractSincethefirstappearanceatthe2008BeijingOlympicCompetition,two-wheelbalancedcarhasbeenacceptedbymoreandmorepeople.Thetwo-wheelbalancedcarhastakenplaceofmanypeople’sheartbecauseofitsspecialcharacteristicjustasenvironmentalprotectionandeasy-taken.Thetwo-wheelself-balancedcarhasalsobecomeauniqueplatformofcontrollingalgorithmbecauseofitssingleinverted-pendulumstructure.Sothetwo-wheelself-balancedcarhasahighvaluetobestudied.Thisdesignationwasbasedonthebasisoftwo-wheelbalancedcarandthatisbalanced-control,usingInertialmeasurementunittodetectthegestureofthecarandtacklethedatawithKalmanfilter,drivingthemotorwiththePIDcontroller.
Keywords:
self-balanced;
destureanalysis;
singledatafilter;
invertedpendulumstructure
引言
新型交通方式越来越吸引人们的注意,北京奥运会上双轮自平衡车的亮相让人们眼前一亮。
以电池作能源,清洁无污染,便携、灵活、新颖等优势使自平衡车迅速博得消费者的青睐。
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,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。
由于特殊的两轮结构,自平衡小车本身就是一个不稳定系统。
如何让双轮小车在保持稳定的基础上实现前后行驶以及自由转向,成为一个技术上的问题。
解决这一问题,将要用到机械设计和自动化专业的知识,涉及电子、机械、运动学、控制学等多学科知识。
双轮自平衡车系统可进一步抽象化为一级倒立摆结构。
经过对一级倒立摆结构的数学建模和运动学分析,结合控制学原理,可以得出使双轮自平衡车保持动态稳定的几个条件。
(详见第二章自平衡系统的分析)
双轮自平衡车平衡控制系统以STM32F103C8T6芯片作为主控芯片运用姿态传感器MPU6050,结合数据滤波算法进行数据融合,建立闭环控制系统驱动直流电机。
再用编码器实时监测电机转速以反馈给主控系统,形成一个小闭环。
最终能够实现双轮自平衡车的平衡控制。
(详见第三章系统硬件组成)
1绪论
双轮自平衡车是轮式机器人的一种,两轮自平衡机器人技术涉及机械、控制、力学、微电子等多个领域,本章从实际应用角度出发,阐述了两轮自平衡车的实际研究价值及广阔的研究前景。
1.1两轮自平衡车的研究背景及研究意义
1.1.1两轮自平衡车的研究背景
在私家车遍及千万家庭的当今社会,人们在面对长途旅行时可以有多样化的选择,但是中短途旅行所能做出的选择却捉襟见肘。
自平衡小车以及新颖性、趣味性、便携性、实用性,正在吸引越来越多的人的关注。
两轮自平衡车以其体积小、灵活度高等优势,进入市场便得到大众的青睐,众多公司中又以Segway公司的产品更为大众所认可。
双轮自平衡车以其众多优势在面向以观光游览、休闲散心、购物代步为主的短途旅行成为得力的代步工具。
1.1.2两轮自平衡车的研究意义
同时,两轮自平衡小车作为一种新式交通工具,以电力为能源,清洁无污染,便携体积小,对于减小工作日里的交通拥堵,减轻环境污染程度,起到建设性的作用。
①两轮自平衡车作为代步工具,以其便携、灵活的特点为优势,可以在人员流动量大且占地面积大的公园、商场、展览馆、游乐场等作为首选代步工具。
因此具有广阔的市场前景及应用价值。
②两轮
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- 毕业论文 平衡 控制系统 研究