两轮自平衡机器人系统设计

论文摘要

两轮自平衡机器人是一种特殊的轮式移动机器人,它运动灵活,成本低,适合在狭小和危险的空间工作,可以零半径转弯,有着广泛的应用前景。同时,本质不稳定的两轮自平衡机器人也是一种复杂的研究性实验装置,已成为理想的控制理论和控制技术研究的实验平台。本文在总结和归纳了两轮自平衡机器人的研究现状后,结合了两轮自平衡代步电动车的设计经验提出了两轮自平衡机器人的构建方案。首先设计了两轮自平衡机器人的机械结构,并构建了两轮自平衡机器人的硬件和软件系统。接着提出系统建模的假设条件,建立了系统的运动学模型,推导出两轮自平衡机器人的最大可控角度。随后对硅微加速度计和硅微陀螺进行了标定,在此基础上利用多种滤波算法对硅微加速度计和硅微陀螺信息进行融合,计算出车体的倾斜角度,并对各种算法进行了比较,得出了卡尔曼滤波算法在速度和精度上的优势。然后利用Verlog HDL语言设计了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,并利用它对两轮自平衡机器人进行控制。最后,对机器人进行了自平衡实验、直线运动实验、碰撞实验,实验结果表明该系统的性能满足设计要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 两轮自平衡机器人的研究意义
• 1.3 两轮自平衡机器人的研究现状
• 1.3.1 两轮自平衡机器人国外研究现状
• 1.3.2 两轮自平衡机器人国内研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 两轮自平衡机器人的系统模型与分析
• 2.1 引言
• 2.2 两轮自平衡机器人建模的假设条件
• 2.3 两轮自平衡机器人运动学模型
• 2.3.1 车轮的运动学模型
• 2.3.2 车体的运动学模型
• 2.3.3 机器人运动学模型
• 2.4 最大可控角度论证
• 2.5 本章小结
• 第3章 两轮自平衡机器人的系统构成
• 3.1 两轮自平衡机器人的功能描述
• 3.1.1 两轮自平衡机器人的分类
• 3.1.2 两轮自平衡机器人的平衡原理
• 3.1.3 两轮自平衡机器人的工作原理
• 3.2 两轮自平衡机器人总体设计
• 3.3 两轮自平衡机器人机械结构设计
• 3.4 两轮自平衡机器人系统器件选择
• 3.4.1 主控芯片
• 3.4.2 姿态检测单元
• 3.4.3 电机及驱动芯片
• 3.4.4 电源转换芯片
• 3.4.5 数码管驱动芯片及无线模块
• 3.5 两轮自平衡机器人系统硬件电路设计
• 3.5.1 控制芯片最小系统设计
• 3.5.2 姿态检测单元电路
• 3.5.3 光电耦合及电机驱动电路
• 3.5.4 数码管显示电路
• 3.6 FPGA 中的系统硬件构建
• 3.6.1 自定制NIOSⅡ系统
• 3.6.2 内核的外围设置
• 3.7 两轮自平衡机器人软件设计
• 3.8 本章小结
• 第4章 基于卡尔曼滤波的传感器数据融合
• 4.1 加速度计测量倾角原理
• 4.2 加速度计和陀螺的标定
• 4.3 AD 采样程序设计
• 4.4 滤波算法的研究与比较
• 4.4.1 滑动平均滤波法
• 4.4.2 数字互补滤波
• 4.4.3 卡尔曼滤波算法
• 4.4.4 滤波器的比较
• 4.5 本章小结
• 第5章 两轮自平衡机器人的自平衡控制
• 5.1 两轮自平衡机器人的双闭环PID 控制原理
• 5.2 光电码盘数据采集的改进
• 5.3 两轮自平衡机器人双闭环PID 控制算法的改进
• 5.3.1 限幅控制的加入
• 5.3.2 积分相的调整
• 5.3.3 微分相的改进
• 5.4 两轮自平衡机器人转向控制
• 5.5 本章小结
• 第6章 两轮自平衡机器人实验研究
• 6.1 自平衡试验
• 6.2 直线运动实验
• 6.3 碰撞实验
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢