两轮自平衡小车系统

两轮自平衡小车系统 ?I S 2 7 2， 户 夕l 多参未 硕士学位论文 两轮自平衡小车系统 Two-WheelVehicle Self-balancing System 作者：李凡红 导师：董春 北京交通大学 2010年6月 ， 、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 导师签名： 签字日期： l-。-T 中图分类号：TPl3 学校代码：10004 UDC：621 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 两轮自平衡小车系统 TwoWheelVehicle Self-balancing System 作者姓名：李凡红 学 号：08121968 导师姓名：董春 职 称：副教授 学位类别：工科 学位级别：硕士 学科专业：电气工程 研究方向：电力电子与电力传动 北京交通大学 2010年6月 ， 1-_- 致谢 本论文是在导师董春老师的悉心指导下完成的。在研一的学习过程中，导师 的科研能力、学识水平、治学态度、创新性的思维给我留下了深刻的印象。他那 渊博的知识和孜孜不倦的工作热情始终体现在每一天、每一个项目中，伴随着我 前行的步伐，我感觉每天都在进步，每天都能学到知识，并且还能学到一些课本 以外的知识，这些都使我受益匪浅。 研二阶段，董春老师带我在多个大赛和会议上参观学习，以便我能更好的把 理论结合到实际中去。学习上，董老师为我选定了论文的方向，时刻关注我论文 的进展情况，对我学习中遇到的困难进行指导和帮助。生活上，为我提供了丰厚 的条件。董春老师严谨的科研、朴实的为人、勤奋的工作态度给我留下了深刻的 印象。还需要提到的是导师对我的关心和爱护，他时刻关心我们的学习和生活， 教导我们做人的原则，教给我们做事的本领，再次，我向导师董春老师表示深深 的谢意! 在论文撰写期间，张思博、袁帅、石岫、梁丽娟和谢力等同学对我论文中的 部分研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 特别感谢我的父母他们多年来对我辛苦的抚养和无私的爱，他们的爱护和支 持，为我提供了克服一切困难、向前迈进的动力。感谢我的女朋友庄秋月，感谢 她的理解和支持，让我能够专心完成我的学业。 最后衷心感谢评审论文的各位专家老师! t 中文摘要 中文摘要 摘要：本质不稳定两轮小车是一种特殊轮式移动机器人，其动力学系统具有 多变量、非线性、强耦合、参数不确定性等特性，是研究各种控制方法的一个理想 平台。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自平衡小车。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，通过高速中央处理器计算 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，在缺少所需的成形 的实验对象的情况下，选用适当的控制器、执行电机和传感器，设计出两轮自平 衡小车的驱动电路，实现了两轮小车的硬件控制系统。 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。 由于实际的小车本体未加工完成，不能在此基础上进行其控制算法的研究。 为了提前研究其控制策略同时缩短设计周期，本文选用LEGO机器人为试验平台， 搭建所需的小车模型，利用牛顿运动定律对该系统进行数学建模，并对其线性化 处理，得到相应的状态方程。在此基础之上详细介绍了两种不同的控制策略，即PID 技术和极点配置技术，并通过实验来验证了极点配置方法对该系统有更好的控制 效果。 关键词：两轮自平衡小车；陀螺仪；加速度计；复合互补型滤波器；dsPIC单片机； PID控制；极点配置 ABSTRACT ABSTRACT kindof ABSTRACT：nlenaturalunstabletwowheelvehicleisa wheeled special mobilerobotIts are dynamicsequations coupling anduncertain etcSoitisidealthatvariouscontrolmethodsarestudiedon parameters this robotissmallinmechanismandCallmakeaflexiblemotionSoitis platformnle a in fitfortasksinnarrowand andhaswide bothcivilian dangerousspace foreground a and aimsto twowheel militaryapplicationnlesubject develop devicethis isa oftwo a vehicleTheof wheels，like systemparallelarrangementsingle traditionalinverted ofitselfnatural mustbeexerted pendul啪Because instability,it contr01tomakeitstableItworksas attitude strong follows：system in and conditionandthestatewhichthe body rate， accelerometers monitor pitchchange central unittocalculatethe dataand lli曲一speed processing appropriate forward to the result motor orbackwardachieve produces bodybalancing Inthis on twowheelvehicleathomeandabroadare Papefstudiesself-balancing summarizedAndintheabsenceof and selectthe subjectsrequiredformed,we andsensorsto twowheel vehicle appropriatecontroller,motorsdesign self-balancing drivecircuitAndit theentirehardwarecontrol accomplishes system drift the Because andslow of of霸flO problems dynamicresponse for or Can detection of accelerometernot gyro gesture system，separateusage provide effectiveorreliableinformationtoreflecttherealstateofits this bodyInPaper，the datacollectedthetwosensorsare to thedrifterrorof by optimizedcompensate andaecelerometererrorSOthattheinclinationofitSbodvCanbe gyroscope dynamic beRer approximated Sincethattherealvehiclebodvisnot control Can accomplished。thealgorithms and notbestudiedonthisbasisInorderto thecontrol inadvanceshorten study strategy the hastotake oftheLEGOrobotastest advantage designcycle，thepaper platform， vehiclemodel mathematicalofthe NewtonS build requiredget modelingsystemby lawsandobtaintlle state itslinearization0nthisbasis correspondingequationthrough thetwodifferentcontrol and strategies，namely,PIDtechnologypoleplacement aredescribedin the isverifiedthatit details，and technique finallypoleconfiguration hasbettercontroleffect throughexperiments twowheel KEYwORDS：Self-balancing control；Pole complementaryfilter；dsPICmicrocontroller；PIDplacement -I， V 目录 目录 中文摘要。iii ABSTRACTv 1 绪论1 11 两轮自平衡小车的研究意义1 12 两轮自平衡小车的发展历程和现状1 121 国外的研究成果1 122 国内的研究成果3 13 本论文的工作4 2 驱动硬件构建5 21 引言。5 22 直流无刷电机5 221 直流无刷电机选择理由5 222 直流无刷电机工作原理6 223 直流无刷电机调速6 224 直流无刷电机控制方法8 23 驱动电路设计。8 231 系统电源模块9 0 2-32 功率元件部分1 233 功率驱动电路11 234 CPU微控制器13 235 电流检测电路14 5 24 传感器元件1 6 25 硬件设计中抗干扰措施l 26 驱动板调试17 261 霍尔信号18 9 262 驱动脉冲1 263 DA输出22 264 电机空载24 27 本章小结25 3 传感器数据处理27 31 引言27 32 光电编码器27 北京交通大学硕士学位论文 33 陀螺仪28 331 陀螺仪简介28 332 陀螺仪漂移问题29 34 加速度计30 35 传感器数据处理的必要性32 36 数据处理32 361 滤波器的选择33 362 滤波器设计35 37 本章小结38 4 自平衡小车控制策略研究39 41 引言39 42 平衡的实现39 43 系统数学模型40 431 车轮模型41 432 车身模型42 44 PID技术47 441 应用现状47 442 PID调节规律48 45 极点配置50 451 极点配置条件50 452 极点配置控制器52 46 本章小结55 5 实验研究。57 51 引言57 52 实验平台57 5-3 软件实现58 54 平衡及抗干扰实验59 55 本章小结64 6 结论65 参考文献67 附录A69 附录B71 作者简历。73 独创性声明75 学位论文数据集77 绪论 1绪论 11两轮自平衡小车的研究意义 移动机器人是机器人学的一个重要分支，对于移动机器人的研究，包括轮式、 腿式、履带式以及水下式机器人等，可以追溯到20世纪60年代。移动机器人得 到快速发展有两方面原因：一是其应用范围越来越广泛；二是相关领域如计算、 传感、控制及执行等技术的快速发展。移动机器人尚有不少技术问题有待解决， 因此近几年对移动机器人的研究相当活跃。 近年来，随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，所面临的环境 和任务也越来越复杂。机器人经常会遇到一些比较狭窄，而且有很多大转角的工 作场合，如何在这样比较复杂的环境中灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心 的一个问题。双轮自平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的。两轮自平衡 小车是一个高度不稳定两轮机器人【l】，是一种多变量、非线性、强耦合的系统，是 检验各种控制方法的典型装置。同时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径 等特点，将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。因为它既有理论研究意义 又有实用价值，所以两轮自平衡小车的研究在最近十年引起了大量机器人技术实 验室的广泛关注。 12两轮自平衡小车的发展历程和现状 在两轮自平衡机器人的研究领域，美国、日本和瑞士等国家研究得较多，而 且已经达到了一个很高的水平，国内的研究相对还比较少。以下分别介绍国内外 一些主要的两轮自平衡机器人。 121国外的研究成果 在两轮自平衡小车的研究上，国外的专家和爱好者们取得了一系列的成果， 以下介绍国外几个比较先进的两轮自平衡小车： 由美国科学家David robot 的小型自平衡两轮车模型，是由HCll controller进行控制的。其外观图如图 11所示。 由瑞 片进行控 12所示。 来控制整 由美 个更为实 驾驶者， 所示。它 的直立状态。 2004年，Homebrew机器人俱乐部的TedLarson和BobAllen制作了如图14 所示的两轮自平衡机器人Bender，并在机器人上安装了一个摄像头使它也成为一 款自主移动机器人。它由三层板构成，支架做得很高，使重心竖直靠上。但其平 ofShow”类金牌。 衡表现很出色，获得了第一届年度Robolympics”Best 图13SEGWAYHT 图14Bender Bender SEGWAYHT Fig13 Fig14 2 绪论 122国内的研究成果 我国在两轮自平衡机器人方面的研究也取得了一定的成就： 西安电子科技大学研究出了自平衡两轮机器人【51，它是一种两轮式左右并行布 置结构的自平衡系统。它利用伺服放大器ADS作为控制器，选择两个son电 机作为执行元件，采用自适应神经模糊控制器对小车这一非线性对象进行大范围 控制，从而实现系统的自平衡。其实物模型如图15所示。 Hlbot 图15自平衡机器人 图16 Hlbot robot Fig15Self-balancingFig16 哈尔滨工业大学也有类似的双轮直立自平衡机器人，如图16所示61。该系统 采用DSP作为控制核心。车体倾斜角度检测采用加速度传感器和陀螺仪。利用 PWM技术动态控制两台直流电机的转速。基于这些完备而可靠的硬件设计，使用 了一套独特的软件算法，实现了该系统的平衡控制。 深圳固高科技有限公司研制的教学用自平衡小车如图17所示71i采用85W减 速比为10：1的直流伺服电机，24V镍氢电池供电，在实现其平衡的基础上，其 最大速度为16ms，最大爬坡角度为20度。 麓爷7。”。?。魂 ， j； ，一? 2：、 2 、u、“I矿 ， 多o、纛一。， 图17固高自平衡小车 robot Googolself-balancing Fi917 北京交通大学硕士学位论文 13本论文的工作 本文是对本质不稳定两轮小车自平衡控制问题的研究。在吸收了国内外对该 领域研究的相关资料上，拟设计一种可载人的小车系统，既可作为短程交通工具， 也可以在此小车上研究不同的控制策略。上述的机器人和代步车对本课题的研究 提供了很好的指导作用，为下面的研究工作提供了很好的参考。 本文的主要研究内容包括： 1设计两轮自平衡小车驱动电路。选择合适的电机、传感器和微控制单元并 合理设计相应的外围电路，最终完成两轮自平衡小车系统的硬件设计。 2完成驱动板的调试。通过对霍尔信号、驱动触发脉冲、DA输出以及电机 空载进行实验，从功能上验证了其驱动板基本能够满足系统的要求。 3处理传感器数据。选用惯性导航器件陀螺仪和加速度计，详细分析两者的 工作原理和各自单独使用所存在的问题。为了解决陀螺仪的漂移、加速度计的动 态响应慢等缺点，设计复合互补型滤波器并进行相应的仿真实验，验证了该滤波 器的可行性，从而确保其提供的数据尽可能的准确和可靠，为后续的控制策略研 究提供保障。 4在车体未加工完成的情况下，利用LEGO机器人进行系统建模。由于实际 的机械本体设计没有完成，为了研究其工作原理及其控制策略，本文不得已选用 LEGO机器人为平台，搭建所需的车体微模型，并对该系统进行相应的平衡分析以 及合理的数学建模，通过在一定范围内线性化处理得到其状态方程表达式，为后 续研究控制算法提供理论基础。 5研究自平衡小车的控制策略。虽然控制策略的研究是建立在LEGO机器人 的平台上，但是由于LEGO机器人的模型与所设计的小车模型在本质上是相同的， 所以对其在LEGO机器人上的有效控制算法对所设计的小车也是同样适用。本文 对其进行了两种控制策略的研究，即PID技术和极点配置方法。并通过MATLAB 仿真手段分析各自的优缺点。 6控制策略的实验验证。针对上述两种控制策略，本文利用LEGO机器人搭 建的微型车体，通过平衡和抗干扰性实验，验证两者的控制效果，为后续设计的 实际小车做一定的理论研究和准备工作。 4 驱动硬件构建 2驱动硬件构建 21引言 控制驱动电路板是该系统组成的核心之一。根据两轮自平衡小车的功能特点， 选择陀螺仪和加速度计两种惯性传感器来采集车体的姿态信息，直流无刷电机自 带的霍尔元件和编码器采集车体速度信息。控制单元采用微控制器来完成对数据 采集与处理、车体姿态判断、直流无刷电机控制及其他外围的控制等功能。系统 硬件结构如图21所示。由于该系统的特殊性，为了满足系统的快速响应以及对驱 动力有一定的要求，一般的驱动控制装置不能胜任此工作。鉴于此本文选择自主 设计其控制驱动电路。 图21系统硬件结构图 Hardwareslructureofthe Fi921 system 本章将从以下四方面来介绍其硬件构成：第一，执行电机选择；第二，电机 驱动电路设计；第三，检测元件选择；第四，硬件抗干扰措施。 22直流无刷电机 221直流无刷电机选择理由 由于本次设计的两轮自平衡机器人采用蓄电池供电，因此可供选择的电机有： 步进电机、直流有刷电机和直流无刷电机。 步进电机能直接实现数字控制，控制性能好，能快速启动、制动和反转，抗 干扰能力强等优点。但运动增量和步距角固定，缺乏灵活性，而且单步响应时有 5 北京交通大学硕士学位论文 过冲量和震荡，不利于两轮白平衡机器人的稳定，承受惯性负载的能力差，控制 线路复杂，不利于两轮自平衡机器人小空间的要求。 直流有刷电机的转动惯量相对可以做到很小，控制特性好，响应速度快，满 足两轮自平衡机器人的灵敏性要求；具有很宽的调速范围，速度快，满足两轮自 平衡机器人的快速性要求；低速平稳性好，满足稳定性要求；机械特性硬，过载 能力强，可以满足两轮自平衡机器人的越障和爬坡要求。但是由于有换向器和电 刷，导致电机可靠性变差，寿命减少，这将严重影响两轮自平衡机器人实际应用。 直流无刷电机不仅完全具有普通直流有刷电机的优