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两轮自平衡载具的设计

作 者: 马卓标
导 师: 董春
学 校: 北京交通大学
专 业: 电气工程
关键词: 两轮载具 自平衡控制 陀螺仪 加速度计 数据融合 卡尔曼滤波 模糊控制 自整定
分类号: TP242
类 型: 硕士论文
年 份: 2014年
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内容摘要


两轮自平衡载具具有巨大的发展潜力和广泛的前景,已成为机器人研究领域中的热点。在对国内外两轮自平衡载具的研究成果进行总结和归纳的基础上,设计了一种两轮自平衡载具。该载具的两侧各装有一个直流无刷轮毂电机,使用者可以站立在载具的脚踏板上,通过改变身体重心来操作载具前进、后退和转向。所设计的载具包括机械和电路两部分。在设计载具的电路时秉持模块化的思想,将该电路分为主控制电路和电机驱动电路,两者均采用Cortex-M内核的处理器。主控制电路测量载具的运行姿态后,根据控制算法计算出电机所需的输出转矩,再将指令发送到电机驱动电路,控制无刷电机转动。给出了电机驱动器的测试波形,证明该驱动器能实现电子换向和闭环调速。在设计载具的机械本体时,从安全、舒适和简单的角度出发,讨论了载具的搭乘和操作方案,接着给出了载具的设计图及装配图。使用陀螺仪加速度计测量载具的运行姿态。因为陀螺仪存在漂移问题,加速度计动态性能差,所以单独使用其中任何一种传感器都不能准确测量载具的运行姿态。为了满足测量要求,同时使用陀螺仪和加速度计测量载具姿态,并提出了一种滤波和数据融合算法,以弥补两者在测量载具姿态时的不足。通过搭建测试平台并实验,证明该算法能较准确地拟合出载具的姿态。针对载具的平衡和转向问题,分别建立了数学模型并设计控制算法。一方面设计了一种参数自整定控制算法,可根据载具的俯仰姿态计算出两侧电机的共模调速指令,实现平衡控制。另一方面根据载具的偏航姿态,使用PID控制算法控制两侧电机的差模调速信号,实现转向控制。该参数自整定模糊控制算法不需要设计者精心挑选控制参数,而是通过比较系统响应与给定之间的差别来对控制参数进行自整定,降低了控制器设计过程中对设计者经验的要求。文章末尾给出了在Simulink环境下的仿真结果和在小型载具模型上的实验结果,验证了该模糊控制算法的有效性。

全文目录


致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-11
1 引言  11-15
  1.1 研究意义  11
  1.2 研究现况  11-13
    1.2.1 国外研究成果  11-13
    1.2.2 国内研究成果  13
  1.3 本文研究内容  13-15
2 机械结构设计  15-19
  2.1 搭乘姿势  15-16
  2.2 转向操纵方式  16-17
  2.3 零部件设计  17-18
  2.4 本章小结  18-19
3 硬件电路设计  19-41
  3.1 直流无刷轮毂电机  19-20
  3.2 直流无刷电机工作原理  20-21
  3.3 电机驱动电路设计  21-26
    3.3.1 微控制器  22
    3.3.2 功率部分  22-23
    3.3.3 霍尔位置传感器  23-24
    3.3.4 霍尔电流传感器  24
    3.3.5 通信模块  24-25
    3.3.6 电源模块  25-26
  3.4 电机驱动电路调试  26-33
  3.5 传感器电路设计  33-36
    3.5.1 惯性传感器组  33-35
    3.5.2 悬臂梁传感器  35-36
  3.6 主控制电路设计  36-40
    3.6.1 微控制器  38
    3.6.2 通信模块  38-39
    3.6.3 外部存储器  39
    3.6.4 电源模块  39-40
  3.7 本章小结  40-41
4 惯性传感器数据处理  41-47
  4.1 加速度计原理与特性  41-42
  4.2 陀螺仪原理与特性  42
  4.3 滤波与融合算法  42-44
    4.3.1 卡尔曼滤波  43
    4.3.2 数据融合  43-44
  4.4 测试平台验证算法  44-46
  4.5 本章小结  46-47
5 运动控制策略  47-61
  5.1 控制原理  47
  5.2 数学模型  47-51
    5.2.1 平衡与行进  48-50
    5.2.2 转向  50-51
  5.3 载具平衡的模糊控制  51-57
    5.3.1 数学基础  52
    5.3.2 隶属函数  52-54
    5.3.3 模糊推理  54-55
    5.3.4 参数自整定过程  55-57
  5.4 载具转向的PID控制  57-58
  5.5 本章小结  58-61
6 实验过程与结果  61-67
  6.1 小型两轮自平衡载具模型实验  61-66
    6.1.1 普通PID控制  62-63
    6.1.2 传统模糊控制  63-65
    6.1.3 参数自整定模糊控制  65-66
  6.2 本章小结  66-67
7 结论  67-69
参考文献  69-73
学位论文数据集  73

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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