【两轮自平衡车原理与姿控系统分析7300字】

两轮自平衡车原理与姿控系统分析两轮自平衡车原理与姿控系统分析 1 11.2两轮自平衡车的组成与工作原理 11.2.1两轮自平衡车姿态控制系统组成 1 21.3两轮自平衡车设计指标 3 3 41.4.2CMG力矩计算 5 5 6 61.5.1姿态惯性测量单元(IMU)设计 6 9 本课题所研究的两轮自平衡车姿控系统的组成图如图2.1所示。该姿控系统主要由姿态敏感单元(IMU)、姿控计算机和执行机构三部分组成[17,其中姿态计算机则包含了姿态控制算法和姿态确定算法，主要通过采集、分析和处理IMU机构根据收到的控制指令驱动控制力矩陀螺仪进动来产生所需的控制力矩实现姿控计算机姿态控制算法姿态确定算法姿态敏感单元执行机构期望姿态扰动进行控制，需要通过姿态惯性测量单元(IMU)测得车辆的运行状态，并实时反的结构，其具有一个不稳定的平衡点，可将两轮自平衡车的等效为图2.2所示的X车轮车轮(1)陀螺仪空间：700×550×24(2)整车长宽高：3100×1000×1500mm;(3)整车质量：480kg(乘员2人);(5)车辆倾角：10°~15°,(6)框架电机进动角度差：<10°(6)超调量：<5%;以提高其稳定性。对称性和质量分布原则是判定设计合理平衡车机械结构图如图2.3所示，两轮自平衡车机械系统主由框架支撑结构、高框架从最高转速框匀减速到0,转过90°,则由式(2.1)、(2.2)假设陀螺力矩为MCMG,车体重量为480kg,在车体倾斜15°位置应用动量求得需要飞轮释放的角动量H=172N·ms。在倾斜15°时回复至平衡位置，陀螺需要提供力矩最大的位置就在15°位置，此时力矩陀螺产生的力矩除了克服重力产生的倾覆力矩T₆外，还要提供车体加并考虑冗余设计，单个CMG的力矩需要大于车体倾斜力矩，即：TcMG≥Tg+Ta=mgsin15°×h+J.·@c=608.7N·m+111.6N·m=720.3N·m因此，CMG可选输出的最大力矩需大于720Nm。系统的总质量为m=480kg,设计车体重心离地面距离为h=0.5m,车体倾倒时绕前后轮与地面接触点连线(x轴)旋转，则车体相对x轴的转动惯量可表示根据已知条件，车体的最大倾斜角度为15°,不考虑倾斜过程，假设车辆从15°到竖直位置用时0.75s,且为匀加速过程(根据控制方式确定的该时间及运动方式)。对车体运动过程分析如下：由两轮自平衡车姿控系统组成可知两轮自平衡车控制系统的设计主要包含(1)功能信息，然后才能计算得到控制车体稳定平衡所需的力矩量大小，因此IMU姿态测量单元是车体的“感知器官”,具有高精度、高可靠性的要求。IMU姿态测量单元实现系统相对于惯性空间的姿态角速率和三个轴向线加IMU姿态测量单元结构框图如图2.4所示，主要由IMU测量单元、电源接□和微控制器等3部分组成。其中电源接口将外部输入的12V电压进行转换，为IMU测量单元和微控制器供电，IMU测量单元实时敏感各自轴向的角速度和加速度信息，微控制器对IMU输出信号进行补偿校正，提高信号输微控制器微控制器IMU测量单元校准的三轴3轴加速度计电源接口角速率、加滤波Fig.2.4CompositionofIMUattitudeIMU通过基准面传递和定位，保证与车辆的捷联式连接，采集三轴的旋转(3)系统组成1)IMU测量单元IMU测量单元选用AD公司ADIS16460,ADIS16460是一款完整的MEMS该模块由3.3V供电，抗冲击能力2000g,在无人机、机器人技术、工业自动化要技术指标如表2.1所示：参数测试条件典型值单位陀螺仪动态范围初始灵敏度16位数据格式灵敏度温度系数非线性度偏置温度系数偏置电源灵敏度带宽加速度计动态范围g初始灵敏度16位数据格式灵敏度温度系数非线性度偏置温度系数偏置电源灵敏度带宽温度灵敏度2)微控制器(2)为补偿数据采集和低通滤波器造成数据的滞后，通过PD算法实现数据(3)模拟电路容易受温度的影响，从而影响姿态测量单元的性能，通过信号(4)对陀螺、加速度计输出零偏存在随机误差，为提高单元性能，采用卡尔(5)对三轴传感器的不正交安装，通过三轴旋转法和六位置翻转法实现不正差通过通讯接口协议，将误差系数写入内置E(1)总体动力学控制算法两轮自平衡车平衡控制器的作用是将IMU单元采集的车体横滚角信息和横①平衡稳定控制算法：根据车体的姿态信息实现平衡稳定回路控制算法，②回零控制算法：用于使陀螺能持续输出控制力矩来实现两轮自平衡车长④饱和卸载算法：用于将控制力矩陀螺仪进动角度控制在一定范围，使控(2)姿态控制计算机5050M晶振口路RS422通讯通讯接口路姿态控制计算机采用RS-422串行接口与执行机构、上位机测试系统进行数据传输。同时预留备用串□,满足以下功能：(1)RS-422接口具有单独隔离功能，姿态控制计算机全部422接口共地；(3)能够采集车体姿态信息，并将其转化为横滚角度和角速度，供控制系统(4)可以通过FLAFH存储芯片对姿态控制计算机软件进行升级调试；(5)系统时钟精度(晶振):高于20ps。(1)系统组成本文采用电机加减速器驱动方案来实现自平衡车控制力矩陀螺框架角的转动，框架伺服系统主要包含了框架电机、行星减速器、角位置传感器、框架轴、(2)框架伺服电机方案b.转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小；①框架电机转速计算②框架电机额定功率计算设定框架电机上升时间为0.04s,并根据模型可知控制力矩陀螺转子绕进动所以，所选择的直流电机其功率应大于228W,额定转速在84rpm左右。因此，根据满足所有条件的功率，选用的EC083A-20H0-A06-1,该电机的额定功率为790W。体积为110×85×115.6m³。电机主要参数如表2.2所示。名义电压(Un)空载转速(no)空载电流(Lo)额定转速(nn)额定转矩(Me)额定电流(I)堵转转矩(MH)电枢电阻(R)0.13Ω转子最高允许温度转子转动惯量(J1)电压常数(kn)机械时间常数(Tm)转矩常数(km)(3)角度传感器方案成图如图2.6所示。收管狭缝码盘路整形电路整形电路路其系统结构如图2.7所示。增量式编码器在测量时，框架电机在驱动电路的驱动下，带动控制力矩陀螺进动从而带动了被检增量式光电编码器的转动。利用FPGA搭建的采集系统具有可编程性、实时性好等优点，采集系统采集的数据为增量式编码器框架电机的数据采集处理系统(1)框架伺服系统驱动电路设计框架伺服系统主要功能包含控制电路和功率驱动电路，其控制框图如图2.8基于RS-422的控制指令接收和数据传输，采集到的电流传感器信号作为电流反路路路机Fig.2.8Controlbloc电机驱动器DRV8312具有高性能、低功耗、低成本等系列(2)串