双轮自平衡小车小车开题报告

1、双轮自平稳小车小车开 题报告Harbin University Of Science And Technology文稿归稿存档编号： KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00LFDQS58-科研训练开题报告两轮自平稳车系统设计学校：哈尔滨理工高校学院：自动化学院专业：电子信息科学与技术班级：电技 11-1 姓名：邓敏3 项目名称 两轮自平稳系统设计项目类型 科研训练指起止时间2022 年 12 月 8 日 至 2022 年 12 月 27 日姓名徐军职务/ 职称教授导 教姓名马静职务/ 职称副教授Harbin University Of Science And Techno

2、logy师姓名刘燕职务/ 职称讲师一、立项依据 1.1 讨论目的及意义 近年来,两轮自平稳小车的讨论开头在美国、日本、瑞士等国得到 快速的进展；建立了多个试验原机型,提出来众多解决平稳掌握的方案,并对原机型的自动平稳性能与运动特性进行了验证；通过对两轮自 平稳系统的改造,可快速便利的应用到众多环境中去,如承载、运输、代步等；这其中隐藏着庞大的商机,相应有些国外公司现在已经推出了 商业化产品,并且已经投放到了市场；两轮自平稳小车两轮共轴、独立驱动、车身重中心位于车轮轴上 方,通过运动保持平稳,可以直立运动,由于特殊的结构,它对于地势的变化有很强的适应才能,有着良好的运动性能,能够在比较复杂的环

3、境里面的工作,和传统的轮式移动机器人相比较,两轮自平稳小车有着以下的儿个优点： （1）能够实现在原地回转和任意半径的转向,有更加 敏捷易变的移动轨迹很好地补偿了传统多轮布局的缺点； （2）具有占地 面积小的优点,能够在场地面积很小或者要求敏捷运输的场合上使用；（3）车的结构上有很大的简化,可以把车做的更轻更小；（4）有着较 小的驱动功率,能够让电池长时间供电,为环保型轻车供应了一种新的 概念； （5）机器人的平稳是个动态过程；机器人在平稳点邻近不停地变化进行调剂以保持平稳； （6）重心的高度对小车运动和硬件设计的限制 小；多轮（三轮或以上）移动小车虽然可以稳固地平稳,可是重心过高就小车启动或急

4、停时,有倾倒的危急；因此重心必需要求很低,设计时总 是拉大小车的水平截面积,降低高度；这样会造成小车体积变大,质量增加,某些功能会受到限制；两轮自平稳移动小车却无这方面的约束,重心的高低引起的不平稳已经通过动态平稳原懂得决；因此重心的高低 无严格限制,节约占地面积,可用在场地面积较小或要求敏捷运输的场 合；（7）驱动功率较小,为电池长时间供电供应了可能,为环保轻型车 供应了一种新的思路；鉴于这些特点,两轮自平稳小车有着相当广泛的 应用前景；两轮自平稳小车是一个集动态决策和规划、环境感知、行为掌握和 执行等多种功能于一体的综合复杂系统,其关键是在解决自平稳的同时,仍能够适应在各种环境下的掌握任务

5、；通过运用外速度传感器、角 现小车的平稳自主前进；速度传感器等,可以实近十年来,两轮自平稳机器人引起同外很多讨论机构和机器人爱好 者极大关注,各种基于不同目的、不同设计方案和掌握策略的自平稳系统相继而生；在这方面国外的讨论比较超前,研制出了一些具有代表性 的机器人；设计出一款可以独立行走的双轮自平稳小车,一个集动态决策和规 划、环境感知、行为掌握和执行等多种功能于一体的综合复杂系统,其关键是在解决IH 平稳的同时, 仍能够适应在各种环境下的掌握任务；通 过运用外速度传感器、角速度传感器等,可以实现小车的平稳自主前 进；1.2 国内外讨论现状及进展动态 两轮自平稳小车自问世以来,快速成为讨论各种

6、掌握理论的抱负平 台,具有重大的理论意义,这要归功于她不稳固的动态性能和系统所具有的非线性；早在 1 986 年,日本电通高校教授山藤高桥最先提出了两轮自平稳 机器人的概念,并制造了一个在导轨上的两轮倒立摆机器人；这个基本的概念就是用数字处理器来侦测平稳的转变,然后以平行的双轮来保持 机器的平稳；这款被山藤高桥称为平行自行车的机器人开创了两轮自平衡机器人讨论的先河；美国 Segway LLC公司开发的 Segway HT两轮平台电动午把人们从传 统的“ 三点平稳” 和以低重心、大商稳的底盘设计来防止倾斜的束缚中解脱出来,通过检测车体的角度和角述度 . 用适当的回复转矩来防止 倾剖摔倒；系统利用

7、 5个惯性比率传感器（陀螺仪）、2 个倾角侍感器、电 机编码器和一世光学脚垫传感嚣把系统的的状态供应应了掌握器,掌握 量大小；器经过运算确定输入给电机的能近十年来,两轮自平稳机器人引起同外很多讨论机构和机器人爱好 者极大关注,各种基于不同目的、不同设计方案和掌握策略的自平稳系统相继而生；在这方面国外的讨论比较超前,研制出了一些具有代表性 的机器人,国内的研究基本上处于理论讨论与实践的初期,只开发出了少数的试验原型机；中国科学技术高校自动化系和力学系多位教授、博导、博士、硕士 讨论生和本科生联合研制完成的科研成果,又名白平稳电动代步车,是有用的两轮自动平稳车,己能有用化,两轮自平稳机器儿是将倒立

8、摆原 理移植到移动机器人上的概念；关于倒立摆的讨论多年来国内外已经研究特别成熟,其文献也相当之多,然而更重要的是如何将倒立摆有效地 应用在移动机器人上；以上是国内外两轮自平稳小车的讨论现状,这些小车都对本课题的 讨论提供了很好的指导作用；然而,这些机器人的有关资料中并没有对 制的具体介绍；机器人速度控二、项目讨论内容、讨论目标以及拟解决的关键技术问题 2.1 项目讨论内容 1）两轮自平稳小车物理实体的设计,各部分之间的硬件连接,搭 建；2）小车角速度传感器,加速度传感器对自身信息的采集,并实现釆 集的信息对单片机进行传送；3）单片机软件的设计,实现对小车的信息采集掌握；2.2 讨论目标 设计一

9、款可以独立行走的双轮自平稳小车,一个集动态决策和规 划、环境感知、行为掌握和执行等多种功能于一体的综合复杂系统,其关键是在解决自平稳的同时,仍能够适应在各种环境下的掌握任务；通 过运用外速度传感器、角速度传感器等,可以实现小车的平稳自主前 进；2.3 拟解决的关键技术问题两轮自平稳小车是一个集动态决策和规划、环境感知、行为掌握和 执行等多种功能于一体的综合复杂系统,其关键是在解决自平稳的同时,仍能够适应在各种环境下的掌握任务；通过运用外速度传感器、角 速度传感器等,可以实现小车的平稳自主前进；技术关键：测量小车的姿势、速度等；使用处理芯片对姿势信息进行处理；使用掌握 芯片,用模糊掌握方法掌握小

10、车；主要技术指标：在肯定角度内实现平衡,受外界肯定干扰能自主复原平稳等；两轮自平稳机器人系统是一个复杂的机电系统,设计两轮自平稳机 器人需要设计其机械系统、电系统及软件；而电系统是包括掌握处理器、传感器、执行机构和电源的一个复杂系统；软件设计需设计机器人 的工作流程；因此要设计一个完整的两轮自平稳机器人系统就需要对这 才能完成两轮自平稳机器人系统的设计；些部分分别进行设计并整合,系统设计包括软件设计和硬件设计,采纳卡尔曼算法的初值运算方 法及实际应用,双轮自平稳小车的 PID 掌握；三、讨论方案、技术路线3.1 小车动态平稳的基本原理如下图一所示：图一动态平稳原理图两轮自平稳机器人系统是一个复

11、杂的机电系统,设计两轮自平稳机 器人需要设计其机械系统、电系统及软件；而电系统是包括掌握处理器、传感器、执行机构和电源的一个复杂系统；软件设计需设计机器人 的工作流程；因此要设计一个完整的两轮自平稳机器人系统就需要对这 才能完成两轮自平稳机器人系统的设计；3.2 两轮自平稳机器人机械系统设计些部分分别进行设计并整合,两轮自平稳机器人结构上最显着的特点在于其只有两个轮子,而且 这两个轮子要同轴安装分别驱动；当然,一个完整的两轮自平稳机器人仍包括掌握处理器、传感器、执行机构、电源等期间；如何将这些系统 部件合理地安装在一起,需要机械结构系统的设计；这部分的设计由具体安装时依据不同模块的轻重来支配设

12、计,总体上让小车承担的重力基 本平稳即可；3.3 两轮自平稳机器人电系统设计两轮自平稳小车要完成其自平稳的功能,第一需要有其感知器官,感知自身的姿势,例如,倾角、倾角速度等,得到这些信息需要挑选一些合适的传感器；而传感器检测到的信号,需要一个数字处理中心来接 收处理,才能成为有用的信息；因此仍需要挑选一个嵌入式的处理器；在嵌入式处理器中,不仅仅要处理来自传感器的信息,仍要对这些信息 综合分析得出维护机器人平稳的需要实行的措施,因此挑选的嵌入式处理器不仅仅担负着信息采集的任务,仍扮演着作为掌握器的角色；最 后,需要有执行机构在掌握周期内去执行处理器做出的判定；因此,在 两轮自平稳机器人电系统的设

13、计中,处理器、传感器、以及执行机构的 挑选是至关重要的；本设计中选用估计采纳加速的传感器,角速度传感器,进行采集小 车当前的平稳状况,再把这些信息传送到主掌握器 52 单片机中；单片机 对这些信息进行实时的处理；再把这些信息的处理结果传送给电机驱动 向,由此来达到小车自身的平稳；由此可以看出小器,掌握电机转速转=351 单 片 机四、项目特色与创新之处 车的平稳过程是动态的；具体设计框图二如示 : 特色： （1）能够实现在原地回转和任意半径的转向,有更加敏捷易 变的移动轨迹很好地补偿了传统多轮布局的缺点；（2）具有占地面积小 的优点,能够在场地面积很小或者要求敏捷运输的场合上使用；（3）车 的

14、结构上有很大的简化,可以把车做的更轻更小；（4）有着较小的驱动 功率,能够让电池长时间供电,为环保型轻车供应了一种新的概念；（5）机器人的平稳是个动态过程；机器人在平稳点邻近不停地变化进行 调剂以保持平稳； （6）重心的高度对小车运动和硬件设计的限制小；多 轮（三轮或以上）移动小车虽然可以稳固地平稳,可是重心过高就小车启动或急停时,有倾倒的危急；因此重心必需要求很低,设计时总是拉大 小车的水平截面积,降低高度；这样会造成小车体积变大,质量增加,某些功能会受到限制；两轮自平稳移动小车却无这方面的约束,重心的 高低引起的不平稳已经通过动态平稳原懂得决；因此重心的高低无严格 或要求敏捷运输的场合；限制,节约占地面积,可用在场地面积较小（7）驱动功率较小,为电池长时间供电供应了可能,为环保轻型车供应 了一种新的思路；创新之处：利用惯性技术、模糊掌握使两轮小车保持平稳,国内外 都有一定的讨论；本作品旨在前人的讨论基础上,加上了自己的一些创新技术,使自己设计的小车满意肯定场合的要求；创新点：使用 MEMS陀 螺、加速度计来测姿、测速等,采纳模糊掌握来掌握小车,实现小车的 平稳；五、进度支配1、 2022 年 12 月 08 日参与科研训练开题报告会,确定科研训练题目2、 2022 二. 1 二. I 2 2 9 预备完成开题报告书3、 2022 X二. X二. X2 2 0 11