坐式两轮自平衡车的系统研究

发布时间：2017-05-11 22:05

  本文关键词：坐式两轮自平衡车的系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：两轮自平衡电动车具有运动灵活、智能控制、操作简单、节省能源、绿色环保、转弯半径为0等优点。适用于在狭小空间内运行，能够在大型购物中心、国际性会议或展览场所、体育场馆、办公大楼、大型公园及广场、生态旅游风景区、城市中的生活住宅小区等各种室内或室外场合中作为人们的中、短距离代步工具。由于两轮自平衡车在理论上属于非完整约束系统，载体也不相同，因此从控制理论角度来看属于变载荷的非线性系统，具有很高的理论研究价值和应用价值，成为近期的研究热点。 论文首先详细介绍了两轮自平衡车系统组成，设计了两轮自平衡车的机械系统，分析了设计的要点，，着重介绍了控制系统的硬件电路设计，对每个组成部分进行逐一介绍。 然后对两轮自平衡车的关键部分—电机驱动系统进行设计。通过原理分析，确定了系统的设计方案，选择合理控制器电路，以CPLD和STM32为核心设计电机的测速与换相系统。通过仿真分析，验证系统的合理性和可靠性。同时给出了供电电路的设计和AD采样电路接口设计并验证了其合理性。考虑到本设计当中的串口用的比较多，还给出了独立的串口模块的设计并验证了其合理性。考虑到倒车时需要保持车距以确保人身安全，所以增加了超声波测距仪的设计并验证了其合理性。最后考虑到车体转向的需要，还增加了方向盘电路并验证了其合理性。 两轮自平衡车通过车体的倾斜角度的大小控制车体的状态，论文的第三部分设计车体倾角测量系统。针对MEMS陀螺仪和加速度计精度低漂移大的缺点，采用卡尔曼滤波器对采集的MEMS惯性传感器信号进行滤波和信息融合，实现了倾角的准确测量。 最后对两轮自平衡车的控制算法进行研究。根据模型简化，以一级倒立摆模型为参照，通过改进的数字PID控制器实现了两轮自平衡车的平衡，水平加速度和车体位置的控制，并通过仿真验证和实际运行试验，验证算法的有效性和可行性。
【关键词】：自平衡 数字PID 卡尔曼滤波 CPLD MEMS
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：U489
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题的背景及意义10
• 1.2 国内外发展现状10-14
• 1.3 坐式两轮自平衡车控制系统涉及的关键问题与技术14-15
• 1.3.1 机械结构14
• 1.3.2 坐式两轮自平衡车的数学模型的建立14
• 1.3.3 姿态检测系统14-15
• 1.3.4 平衡控制算法15
• 1.4 主要研究内容15-16
• 第2章 坐式两轮自平衡车的机械机构与硬件结构16-28
• 2.1 引言16
• 2.2 机械结构设计16-17
• 2.3 控制系统的硬件设计17-27
• 2.3.1 主控制电路18-19
• 2.3.2 供电电路19-21
• 2.3.3 AD 采样电路设计21-22
• 2.3.4 串口通信电路22
• 2.3.5 超声波测距模块22-26
• 2.3.6 方向盘电路26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章 直流无刷电机驱动电路28-36
• 3.1 引言28
• 3.2 直流无刷电机原理简介与优缺点分析28-30
• 3.3 无刷直流电动机驱动器的设计30-31
• 3.4 控制部分31
• 3.5 光耦隔离部分31-32
• 3.6 CPLD 内部译码逻辑设计与 M/T 测速法32-35
• 3.7 本章小结35-36
• 第4章 车体倾角测量系统36-54
• 4.1 引言36-37
• 4.2 加速度计数据采集模块37-41
• 4.3 陀螺仪数据采集模块41-42
• 4.4 卡尔曼滤波器在两轮自平衡车上的应用42-48
• 4.4.1 状态方程的建立42-44
• 4.4.2 基于本实验的卡尔曼滤波器的分析44-46
• 4.4.3 卡尔曼滤波器的程序实现46-48
• 4.5 对车体倾角测量系统的测试与调试48-53
• 4.6 本章小结53-54
• 第5章 两轮自平衡车平衡控制算法与实现54-69
• 5.1 引言54
• 5.2 两轮自平衡车的模型建立54-58
• 5.2.1 坐式两轮自平衡车模型的简化54-55
• 5.2.2 简化模型的建模和仿真55-58
• 5.3 数字 PID 的原理与仿真58-60
• 5.3.1 数字 PID 的原理58-59
• 5.3.2 基于本实验的数字 PID 仿真59-60
• 5.4 基于本实验的数字 PID 的 C 语言实现60-65
• 5.5 两轮自平衡车在实际运行中的控制效果65-68
• 5.6 本章小结68-69
• 结论69-71
• 参考文献71-73
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果73-74
• 致谢74-75
• 附录 A75-80

【参考文献】

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本文编号：358148