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两轮电动车自平衡控制算法的研究

作　者: 王光林
导　师: 兰凤崇；叶志刚
学　校: 华南理工大学
专　业: 车辆工程
关键词: 两轮自平衡电动车 PID 卡尔曼滤波 陀螺仪
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


两轮自平衡电动车是一种新型的交通工具,它与电动自行车和摩托车车轮前后排列方式不同,而是采用两轮并排固定的方式,就像一种两轮平行的机器人一样。该系统是一种两轮左右平行布置的,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。其体积小、结构简单、运动灵活,适于在狭小和危险的空间内工作,在民用和军事上有着广泛的应用前景。本课题旨在研制一种两轮电动车自平衡控制系统,其工作原理是系统以姿态传感器(陀螺仪、加速度计)来监测车身所处的俯仰状态和状态变化率,通过高速微控制器计算出适当数据和指令后,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。本文在总结和归纳国内外两轮自平衡小车的研究现状后,选用AtmeDgal16微控制器、德国冯哈勃Faulhaber带编码器空心杯减速电机2342L012、MMA226D加速度计传感器和EWTS82陀螺仪、驱动车轮、设计制作主板和电机驱动板,组装两轮自平衡电动车模型;通过C语言编写自平衡控制程序,烧录程序,实车验证所选用的控制算法可行性。在研究过程中,本文首先通过建立动力学模型,运用拉格朗日方程来验证系统中三个自由度可否能控,并且求出控制算法中的四个K值,基于陀螺仪存在漂移的问题及加速度计的动态响应慢,对于系统的姿态检测而言,单独使用陀螺仪或者加速度计,都不能提供有效和可靠的信息来反映车体的实时状态。本文对传感器两者所采集的数据进行了卡尔曼滤波优化处理,补偿陀螺仪的漂移误差和加速度计的动态误差,得到一个更优的倾角近似值。基于在过程控制中,PID控制器一直是应用最为广泛的一种自动控制器,PID控制也一直是众多控制方法中应用最为普遍的控制算法,它解决了自动控制理论所要解决的最基本问题,既系统的稳定性、快速性和准确性,调节PID的参数,可实现在系统稳定的前提下,兼顾系统的带载能力和抗扰能力,同时在PID调节器中引入积分项,系统增加了一个零积点,使之成为一阶或一阶以上的系统,这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。因此本文采用PID算法运用卡尔曼滤波得出的更优倾角近似值,求出驱动电机的占空比PWM,来实现两轮自平衡电动车姿态的平衡控制,采用卡尔曼滤波来优化车体姿态,提高两轮自平衡电动车的控制精度。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章 绪论  10-17
  1.1 两轮自平衡电动车简介  10-11
  1.2 选题的背景  11-12
  1.3 国内外研究现状  12-14
  1.4 本文研究的内容和意义  14-17
第二章 建立两轮自平衡电动小车动力学模型  17-25
  2.1 引言  17
  2.2 两轮自平衡电动小车的结构和动态平衡原理  17-18
    2.2.1 两轮自平衡电动小车的结构  17
    2.2.2 两轮自平衡电动小车的动态平衡原理  17-18
  2.3 建立两轮自平衡电动小车动力学模型  18-24
    2.3.1 建立坐标系  18-19
    2.3.2 系统模型参数  19-20
    2.3.3 系统动能计算  20-24
  2.4 本章总结  24-25
第三章 常规PID 与卡尔曼滤波控制算法的研究  25-39
  3.1 引言  25
  3.2 常规PID 控制算法的介绍  25-26
  3.3 卡尔曼滤波的介绍  26-28
  3.4 程序设计思路  28-38
    3.4.1 先进行外部中断初始化  29
    3.4.2 进行AVR 单片机输出端口初始化  29-30
    3.4.3 进行AVR 定时器初始化  30
    3.4.4 对串口进行初始化  30
    3.4.5 对INTO INT1 两个端子进行定义.  30-31
    3.4.6 AD 采样  31
    3.4.7 卡尔曼滤波  31-33
    3.4.8 电机PWM 控制  33-38
  3.5 本章总结  38-39
第四章 实施验证  39-51
  4.1 引言  39
  4.2 两轮自平衡电动小车的制作  39-49
    4.2.1 配件制作  39-45
    4.2.3 传感器的使用  45-49
  4.3 验证与数据分析  49-50
  4.4 本章小结  50-51
第五章 结论与展望  51-53
参考文献  53-55
附录1 印刷电路板设计图  55-57
附录2 源程序  57-71
致谢  71-72
附件  72

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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 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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