独轮自平衡车设计方法研究

论文摘要

独轮自平衡车是一种结构简单的轮式移动机器人,类似于倒立摆,由车身与一个由电机驱动的车轮组成,车身上半部分的挡板可以在水平方向转动,通过挡板的转动可以改变车体的重心,以此来控制小车运动的方向。和其他代步工具相比,独轮自平衡车与地面接触点数目最小,是一种典型的非线性、非完整、静不平衡系统。其具有运动灵活、结构简单、适合在狭小和危险的空间内工作等特点,在军用、民用、教学领域上有一定的应用前景。本文对国内外自平衡电动车的研究经验加以总结,结合独轮车的设计经验提出了独轮自平衡车的设计方案。首先通过研究最基本的倒立摆模型,建立独轮自平衡车的模型,分析了其受力、结构、运动之间的相互作用关系,提供了控制的理论基础。然后对国内外科研机构和企业开发的自平衡车的控制系统进行了分析和比较,设计了独轮自平衡车的控制系统,并对系统中的布置和走线进行了初步设计。接着在自平衡移动机器人的研究基础上,加入陀螺仪和电机驱动器。随后运用卡尔曼滤波算法对加速度计和陀螺仪信息进行了数据融合,提高了计算车体倾斜角度的速度和精度。并利用C语言设计光电码盘的计数器模块,为系统提供速度信息,设计数字的双闭环PID控制算法,利用它成功实现了自平衡车的控制。最后,参与设计调试了小车的硬软件系统,通过红外遥控控制可以实现了小车的悬停、前进、后退和PID调整等。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.1.1 研究的意义
• 1.1.2 研究的目的
• 1.2 国内外发展状况
• 1.3 本文主要研究的内容
• 第2章 系统构成
• 2.1 机械部分构成
• 2.2 系统硬件设计
• 2.3 控制部分构成
• 2.4 独轮自平衡车主控制系统
• 2.5 本章小结
• 第3章 传感器数据处理
• 3.1 传感器数据处理方法
• 3.1.1 加速度计设计
• 3.1.2 加速度计数据处理
• 3.1.3 陀螺仪设计
• 3.1.4 陀螺仪数据处理
• 3.1.5 传感器数据融合
• 3.2 卡尔曼滤波的原理
• 3.3 滤波器设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 控制系统的硬件设计
• 4.1 主控芯片
• 4.2 电机及驱动
• 4.3 电源转换芯片
• 4.4 本章小结
• 第5章 系统软件设计
• 5.1 软件总体设计
• 5.1.1 初始化和主循环模块
• 5.1.2 50Hz中断AD采样及计算程序
• 5.1.3 实时转速计算程序
• 5.1.4 控制部分
• 5.2 独轮自平衡车的PID算法设计
• 5.3 系统调试
• 5.3.1 电机驱动器调试
• 5.3.2 姿态感知系统调试
• 5.3.3 控制器调试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1 显示控制板原理图
• 附录2 主要程序（部分）
• 致谢