自平衡独轮机器人控制系统的研究

论文摘要

独轮自平衡机器人是典型的非线性、欠驱动系统。因为它与地面接触点数目降到最小，其建模和运动控制问题是控制科学及机器人学研究的重要问题。基于以上背景，本文设计了具有竖直飞轮和下行走轮的自平衡独轮机器人系统，建立其动力学模型；研究其运动平衡控制问题，主要完成了以下工作：(1)独轮自平衡机器人的动力学建模本文通过对独轮机器人系统的动力学分析，利用劳斯方程建立独轮机器人系统动力学模型，并利用仿真实验证明所得模型的正确性。(2)独轮自平衡机器人硬件设计本文设计了一种独轮自平衡机器人系统，其最重要的结构特性是竖直惯性飞轮和下行走轮相互配合：竖直惯性飞轮调节横滚自由度平衡；行走轮调节俯仰自由度平衡。此结构模拟了人类骑独轮车的特性。设计了以DSPTMS320F2812为核心，辅以状态感知传感器：编码器、捷联惯导系统、无线传输模块等；辅以电机伺服系统，负责控制双轮电机完成指定运动；并辅以各种人机接口，负责监测、获取信息，决策和下达运动控制指令。(3)独轮自平衡机器人软件系统本文的软件设计主要包含两部分，一部分是DSP底层软件的实现，一部分是基于PC的无线测试与控制平台。主要完成了DSP对传感器信号的采集与处理、控制算法的运算以及控制量（PWM）和方向信号的输出、通过无线模块与PC间的数据和指令通信。(4)设计模糊控制算法运用已经建立的该系统的二维动力学模型，设计基于融合函数的模糊控制器，实现了系统的运动平衡控制。该方法降低了控制器的模糊规则数，提高了系统的控制品质。(5)设计了上位机检测平台在PC机用VC编制检测界面，通过无线通信模块实现两方面的作用，一方面是在系统检测过程中，获取系统状态的数据，能实时传送系统运行中的各种数据给PC，以及控制电压参数，然后对系统进行分析；另一方面，系统在运行过程中，要接收外界发送给它的指令，按照指令执行相应的动作。该模型在一定程度上可用来描述独轮机器人系统。实现了系统的自平衡、运动控制以及目标跟踪。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本课题的研究内容
• 第2章 自平衡独轮机器人系统的动力学建模
• 2.1 建立坐标以及系统模型参数的设定
• 2.2 独轮机器人系统动力学方程
• 2.3 独轮机器人动力学模型验证
• 2.4 本章小结
• 第3章 自平衡独轮机器人系统的硬件设计
• 3.1 系统总体设计方案
• 3.1.1 机械机构
• 3.1.2 系统机构
• 3.2 电源模块的设计
• 3.3 DSP 控制器
• 3.3.1 TMSF320X2812 的结构、资源及性能
• 3.3.2 事件管理器 EV
• 3.3.3 比较单元
• 3.3.4 捕获单元
• 3.3.5 正交编码器脉冲电路
• 3.3.6 ADC 模块
• 3.3.7 串口与中断
• 3.4 传感器模块
• 3.5 电机驱动电路设计
• 3.5.1 换相信号检测
• 3.5.2 DSP 控制电机的设计
• 3.6 无线通信模块
• 3.7 本章小结
• 第4章 自平衡独轮机器人系统的软件设计
• 4.1 软件总体设计方案
• 4.2 DSP 软件设计
• 4.3 DSP 控制电机程序设计
• 4.3.1 主程序及初始化程序
• 4.3.2 位置检测子程序
• 4.3.3 定时器 2 中断程序
• 4.3.4 捕获中断程序
• 4.3.5 串口接收中断程序
• 4.4 DSP 对信号采集及处理
• 4.5 无线传输软件设计
• 4.6 上位机界面设计
• 4.7 本章小结
• 第5章 模糊控制在独轮机器人系统中的应用
• 5.1 控制目标
• 5.2 模糊控制器的结构设计
• 5.3 基于融合函数的模糊控制器设计
• 5.4 模糊控制器设计
• 5.5 仿真实验
• 5.6 本章小结
• 第6章 独轮机器人系统的实验分析与结论
• 6.1 DSP 控制电机的仿真实验
• 6.1.1 电机本体建模
• 6.1.2 各种模块的封装
• 6.1.3 实验结果与分析
• 6.2 编制监控界面
• 6.3 实验分析
• 6.4 结论总结
• 6.5 工作展望
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的论文
• 致谢