发布时间 : 星期二 文章两轮自平衡车平衡控制系统的研究 毕业论文更新完毕开始阅读79dc6f35905f804d2b160b4e767f5acfa1c7836d
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。
②两轮自平衡车以电池为能源清洁环保无污染，推广两轮自平衡小车的使用，尤其在是以中短途为主的旅行中的使用，能有效的减轻环境污染问题。
③两轮自平衡车系统可以抽象化一级倒立摆，因此系统本身可以作为控制策略及算法的实施验证对象，有较高的研究价值与研究意义。
④两轮自平衡车的一级倒立摆系统与多旋翼飞行器的运动学系统相同，因此两轮自平衡车的研究可以为日后研究多旋翼飞行器打下基础。同时两轮自平衡车系统用到的IMU（惯性测量单元）可以在多种实用、娱乐器件上应用，因此研究两轮自平衡车系统具有重要实际价值。
1.2 两轮自平衡车的研究现状{
1.2.1 两轮自平衡车的国外研究现状{
两轮自平衡车的研究始于1987年的日本东京电信大学的山藤雄一教授[1]。他提出了了类似两轮自平衡系统的设计思想。
1995年美国人Dean Kamen与他的研发公司（DEKA Reasearch and Development Corp）发明了最早的双轮平衡机器人，取名Segway。 7年后，Segway正式投入市场。该产品以动态稳定理论为基础，通过内置惯性测量单元，测量出驾驶者的身体重心及车体姿态，
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由中央微处理器发出指令驱动电机调整车体以达到动态的实现自平衡的效果。
图1-1 Segway自平衡车
同年，瑞士联邦工业大学研制出了可以对其遥控两轮自平衡机器人JOE,其最大运动速度达到1.5m/s。
图1-2 JOE
2005年日本的村田制作所在自平衡车系统的研究取得突破。此后，两轮自平衡车在控制系统与机械结构等方面都取得了长足的进步。 1.2.2 两轮自平衡车的国内研究现状{
国内对自平衡机器人的研究起步较晚，但至今也取得了很大的进步。 2005年，哈尔滨工业大学研制出了采用DSP作为控制核心的两轮自平衡机器人。
图1-3 哈工大两轮自平衡车样机
中国科学技术大学也研发制作了自己的两轮自平衡车，取名Free Mover。Free Mover的最高时速能够达到10km/h。
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由于从出现至今不过短短十年时间，两轮自平衡车现今仍不能作为一种新型交通方式。现在市面上只有Segway公司能够生产满足大众使用需求的产品。值得指出的是2008年的北京奥运会上Segway公司的产品得到了露脸的机会——在奥运会上执行安保任务的特警使用的就是Segway公司的产品。
图1-4 奥运会安保特警使用Segway自平衡车 1.3 本课题的研究内容及目标{
鉴于两轮自平衡小车设计制作的综合性，比较适合本科阶段的毕业设计论文。与此同时，市面上的两轮自平衡车价格高昂，因此设计一个性能良好的小型样机是非常有必要的。
本文提出的两轮自平衡车的亮点在于电源模块、控制器模块、通信模块、电机驱动模块多采用贴片封装，能够最大限度的降低杂生电容和杂生电感对惯性测量单元的干扰。
①本设计采用Cortex M3内核的STM32F103系列嵌入型芯片作为主控器，性能稳定。 ②惯性测量单元采用MPU6050芯片，包含三轴加速度计和三轴陀螺仪，其中加速度计用以测量车体的角度，陀螺仪用以测量车体的角速度。
③对信号采集后的滤波和姿态解算采用了两种滤波算法作为比较，分别是四元数法和卡尔曼滤波算法。
④电源部分采用开关型芯片LM2596提供直流电机驱动电源及AMS1117提供芯片电源，采用光耦开关TLP521与电机驱动芯片L298P结合，通过PID控制算法控制电机，最终使两轮自平衡小车这个动态不稳定系统实现最终的“自平衡”。
2 自平衡系统的分析{
{2.1 控制目标
由对自平衡小车的客观需要可知，两轮自平衡小车最终要实现的功能有三种，分别是
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保持直立、速度变化、和方向控制。其中保持直立即平衡控制是另外两个功能实现的基础。我们可以把小车车体（姿态）作为控制对象，把两个电机作为执行机构，把两个轮子各自的转速作为控制系统的输入量。则控制系统又可进一步分为三个子系统：
①平衡控制系统：把小车的倾角作为输入量，通过控制两路电机的正反转来实现保持平衡。
②速度控制系统：在平衡控制的基础上，通过调节车体的倾角实现对小车速度的控制，其实质仍是通过控制电机转速实现车轮速度的控制。
③方向控制系统：控制两个电机的转速使其不同以实现车体的转向。
自平衡小车的平衡控制和方向控制都是通过直接控制小车的两个电机实现的。在实际的控制中，平衡控制与方向控制的信号叠加在一起加载到电机上，因此只要电机处于正常工作的线性状态就可以同时完成这两个功能。而自平衡小车的速度是通过调节车体的倾角实现的，车体的倾角不同则速度不同即小车会有加减速现象，从而实现小车的速度控制。
由控制理论可知三个分解后的子系统的控制对象相同，因此他们之间存在系统耦合。为便于分析，在分析一个子系统时，假设另外两个控制对象已经达到稳定状态。譬如，在平衡控制时，假设速度和方向控制实现平稳；同样，在速度控制时，假设已经可以保持平衡状态。
在三个子系统中以平衡控制系统最为关键。但从车体平衡控制的角度来看，另外两个控制成为它的干扰。因而自平衡小车的方向和速度的控制应尽可能的保持平滑，以减少对平衡控制系统的干扰。以小车的速度控制为例，需要通过改变车体倾角的设定值来改变车体的实际倾角，达到速度控制的要求。同时，为了不对车体的平衡控制造成干扰，车体倾角的变化应该非常缓慢的进行。三者之间的配合如图2-1所示。
图2-1 三层控制之间的配合
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