两轮自平衡车系统的设计与实现

发布时间：2017-10-26 05:24

  本文关键词：两轮自平衡车系统的设计与实现

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【摘要】：在交通和环境问题日益突出的当今,作为适合多种场合使用的代步工具,载人平衡车具有使用简单、节能环保、运动灵活等特点,尤其在狭小地带更具有明显的优势,从而获得广泛关注。作为一个非线性的对称系统,其原理和传统的倒立摆类似,本身是一个自然不稳定体。本文在对载人平衡车研究的基础上,提出一种设计方案并对其相关模块进行设计。本文通过都对国内外研究现状进行总结,分析了载人平衡车的原理和控制特点,提出了载人平衡车的系统组成,介绍了平衡车系统的机械结构并设计了以STM32为主控制器的硬件电路部分,并详细论述了各模块的设计思路。其中电机驱动系统作为载人平衡车的核心部分,本文选择H桥驱动电路,采用IR2184驱动芯片驱动电机,利用不同对角线MOS管的导通实现调节电机的正反转,通过控制PWM输出控制电机转速。为了防止烧坏电机,还添加了电流传感器电路对电机进行实时保护。还设计了以光电编码器和STM32为核心的电机测速系统。对于姿态传感器,为了弥补陀螺仪和加速度计各自的缺陷,采用陀螺仪和加速度相结合的姿态测量方法,并通过卡尔曼滤波方法来对陀螺仪和加速度计的输出信号进行融合,通过仿真验证了卡尔曼滤波的有效性,得到了更优的倾角值。对于载人平衡车的转向问题,增加了转向器电路从而实现了小车的转向功能;在踏板上安装了踏板开关,控制核心电路的电源通断;利用无线通信模块完成了和上位机的数据传输。在控制算法方面,通过PID控制车体的角度和角速度,对双闭环数字PID控制技术做了相应的研究,最后将控制算法转化成相应的程序代码,并完成了卡尔曼滤波算法、电机测速和AD转换等软件代码的设计,从而实现了载人平衡车的整体设计。
【关键词】：载人平衡车 STM32 卡尔曼滤波 PID控制
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U48
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 研究目的及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状及分析11-15
• 1.2.1 国外研究现状11-13
• 1.2.2 国内研究现状13-15
• 1.3 本文主要研究内容15-16
• 第2章 系统的控制原理及技术16-21
• 2.1 两轮平衡车的基本原理16-17
• 2.2 两轮平衡车的控制特点17-18
• 2.2.1 平衡控制17
• 2.2.2 速度控制17-18
• 2.2.3 方向控制18
• 2.3 自平衡车的控制算法18-20
• 2.4 本章小结20-21
• 第3章 系统的机械结构及硬件设计21-30
• 3.1 引言21
• 3.2 系统的机械结构21-22
• 3.3 控制系统的硬件设计22-28
• 3.3.1 主控制电路23-24
• 3.3.2 电源转换电路24-25
• 3.3.3 H桥电机驱动电路25-27
• 3.3.4 电流传感器电路27
• 3.3.5 无线传输模块27-28
• 3.3.6 AD采样接口的设计28
• 3.4 本章小结28-30
• 第4章 姿态感应系统的设计30-40
• 4.1 引言30
• 4.2 姿态传感器模块30-33
• 4.2.1 加速度计31-32
• 4.2.2 陀螺仪32-33
• 4.3 滤波器的选择33-35
• 4.3.1 卡尔曼滤波33-34
• 4.3.2 复合互补型滤波34-35
• 4.4 基于卡尔曼滤波的传感器数据融合35-39
• 4.4.1 卡尔曼滤波的原理35-36
• 4.4.2 滤波器的设计36-37
• 4.4.3 卡尔曼滤波的效果37-39
• 4.5 本章小结39-40
• 第5章 系统的软件设计40-53
• 5.1 引言40
• 5.2 软件的总体设计40-41
• 5.3 初始化和主循环程序41-42
• 5.4 卡尔曼滤波程序设计42-45
• 5.5 实时转速计算程序的设计45-48
• 5.6 双闭环PID算法程序的设计48-51
• 5.7 AD采样程序的设计51-52
• 5.8 本章小结52-53
• 结论53-54
• 参考文献54-57
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文57-58
• 致谢58

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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2 钱华明;夏全喜;阙兴涛;张强;;基于Kalman滤波的MEMS陀螺仪滤波算法[J];哈尔滨工程大学学报;2010年09期

3 曹青松;黎林;;具时滞单级倒立摆系统的稳定性分析[J];煤矿机械;2009年04期

4 谭卢敏;冯新刚;;MEMS陀螺仪在检测小车运动状态中的应用[J];科技广场;2009年01期

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中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 胡艳丽;基于模糊PID的桥式起重机防摆控制研究[D];河南理工大学;2010年

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本文编号：1097220