基于陀螺效应的倒立摆及其自行车平衡系统的研究
发布时间：2021-05-14 12:42
共享单车作为一种新兴的交通出行方式,促进了城市交通运行的高效微循环,对缓解城市车辆拥堵成效显著,但由于其功能技术限制,在一定程度上增加了管理难度。为进一步提升共享单车的性能并改进其现有缺陷,本文基于陀螺效应倒立摆及其自行车平衡系统,利用陀螺仪装置的进动效应,设计自行车平衡控制系统,使自行车在无人静、动状态下稳定站立,并具有很强的抗干扰能力;结合图像识别、定位与无线控制等技术,实现共享单车无人驾驶和智能存取。主要研究内容如下:（1）根据自行车的结构特征与陀螺仪的平衡原理及运动学分析,借助于惯性力矩与陀螺仪的进动效应,构建出两种自行车平衡系统,运用拉格朗日方程和欧拉方程建立了相应的数学模型,分别计算出两种平衡系统的动力学方程,确定了各自平衡控制系统的基础控制方程和控制变量,分析比较了自行车两种平衡系统的优缺点,为自行车平衡系统的实际模型研制奠定了良好的理论基础。（2）采用auto CAD、SolidWorks软件与3D打印技术,研制出了两种平衡自行车的完整模型及其控制系统,分别设计了这两种平衡自行车的整体结构、平衡控制器、动力系统、传动系统以及控制系统的软件系统和硬件系统,最终完成平衡自行...
【文章来源】：陕西科技大学陕西省
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 前言
1.1 研究背景及意义
1.2 倒立摆国内外研究现状
1.2.1 国外平衡自行车控制系统的研究发展
1.2.2 国内平衡自行车控制系统的研究发展
1.2.3 未来平衡自行车控制系统的发展趋势及课题研究的意义
1.3 研究的主要内容
2 平衡自行车系统的结构设计
2.1 惯性原理的平衡自行车设计
2.1.1 平衡原理
2.1.2 设计方案
2.1.3 平衡原理分析
2.1.4 动力学分析
2.2 陀螺仪原理的平衡自行车设计
2.2.1 陀螺转子的动量矩
2.2.2 陀螺仪的进动性
2.2.3 结构设计
2.2.4 平衡原理分析
2.2.5 动力学分析
2.3 不同原理平衡自行车对比分析
2.3.1 平衡原理对比
2.3.2 车体结构对比
2.3.3 平衡方程对比
2.4 本章小结
3 平衡自行车控制系统的设计
3.1 概述
3.2 控制系统的仿真
3.3 平衡控制系统设计
3.3.1 系统总体设计
3.3.2 系统各模块主要功能
3.3.3 系统的主要特点
3.4 控制系统选型
3.4.1 控制器选型
3.4.2 装置传感器选型
3.4.3 电机驱动、舵机及电池选型
3.5 控制器的研制
3.5.1 整体电路设计
3.5.2 单片机最小系统设计
3.5.3 电机驱动模块的电路设计
3.5.4 电源模块电路的设计
3.5.5 MPU-6050模块电路设计
3.5.6 总体电路PCB接线图及实物模型
3.6 控制系统软件设计
3.6.1 主要程序设计
3.6.2 控制运算程序设计
3.6.3 电机控制程序设计
3.6.4 MPU-6050控制程序设计
3.7 控制程序的实现
3.8 本章小结
4 平衡自行车模型搭建
4.1 陀螺仪原理平衡自行车的设计
4.1.1 车体零件选型
4.1.2 模型结构设计
4.2 车体质量、转动惯量的测量及分析
4.2.1 车体各零件质量尺寸测量
4.2.2 车体转动惯量分析
4.3 车体模型的搭建及实验
4.4 惯性原理平衡自行车模型搭建
4.5 平衡自行车控制系统的调试
4.5.1 硬件调试
4.5.2 软件调试
4.5.3 PID调试
4.6 本章小结
5 总结与展望
5.1 结论
5.2 展望
致谢
参考文献
附录Ⅰ
攻读学位期间发表的学生论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于模糊控制的旋转倒立摆稳定性仿真研究[J]. 赵博,李嘉波,李忠玉,叶敏,徐信芯. 机床与液压. 2020(07)
[2]单车自动存取装置[J]. 包新宇,朱冬梅,李响,章海涛. 广东化工. 2020(02)
[3]广义公共自行车在中国城市交通体系中的作用[J]. 汤諹,刘魏巍,何祎豪,杨飞,叶天洲. 综合运输. 2020(01)
[4]基于Modbus双层网络的智能交通系统设计[J]. 谢璐阳,赵奉奎,朱少华,夏兆君. 智能计算机与应用. 2019(06)
[5]中国人工智能学会举办2019中国人工智能产业年会[J]. 甄灏. 中国社会组织. 2019(24)
[6]从智能交通走向智慧交通[J]. 杨东援. 交通与港航. 2019(06)
[7]共享单车绿色使用行为与意愿的影响因素研究[J]. 邵鹏,王齐,赵超. 干旱区资源与环境. 2020(03)
[8]我国交通运输的发展现状及趋势研究[J]. 王惠,张震,刘金铎. 国际公关. 2019(12)
[9]六轴陀螺仪实时姿态采集与发送系统设计[J]. 张友俊,杨希. 信息技术. 2019(12)
[10]无人驾驶快速公交车辆仿真分析[J]. 潘亚嘉,聂哲俊,李锋,曾善文. 机械设计与制造. 2019(12)
硕士论文
[1]基于分布式的共享单车定位算法的研究[D]. 张健.南京邮电大学 2019
[2]机器人骑自行车系统设计及控制研究[D]. 童璐.哈尔滨理工大学 2018
[3]非同轴两轮自平衡移动机器人的平稳性研究[D]. 邱金凤.武汉理工大学 2018
[4]基于惯性轮式自行车型机器人的研究与实现[D]. 刘飞鹏.上海应用技术大学 2016
本文编号：3185659
【文章来源】：陕西科技大学陕西省
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 前言
1.1 研究背景及意义
1.2 倒立摆国内外研究现状
1.2.1 国外平衡自行车控制系统的研究发展
1.2.2 国内平衡自行车控制系统的研究发展
1.2.3 未来平衡自行车控制系统的发展趋势及课题研究的意义
1.3 研究的主要内容
2 平衡自行车系统的结构设计
2.1 惯性原理的平衡自行车设计
2.1.1 平衡原理
2.1.2 设计方案
2.1.3 平衡原理分析
2.1.4 动力学分析
2.2 陀螺仪原理的平衡自行车设计
2.2.1 陀螺转子的动量矩
2.2.2 陀螺仪的进动性
2.2.3 结构设计
2.2.4 平衡原理分析
2.2.5 动力学分析
2.3 不同原理平衡自行车对比分析
2.3.1 平衡原理对比
2.3.2 车体结构对比
2.3.3 平衡方程对比
2.4 本章小结
3 平衡自行车控制系统的设计
3.1 概述
3.2 控制系统的仿真
3.3 平衡控制系统设计
3.3.1 系统总体设计
3.3.2 系统各模块主要功能
3.3.3 系统的主要特点
3.4 控制系统选型
3.4.1 控制器选型
3.4.2 装置传感器选型
3.4.3 电机驱动、舵机及电池选型
3.5 控制器的研制
3.5.1 整体电路设计
3.5.2 单片机最小系统设计
3.5.3 电机驱动模块的电路设计
3.5.4 电源模块电路的设计
3.5.5 MPU-6050模块电路设计
3.5.6 总体电路PCB接线图及实物模型
3.6 控制系统软件设计
3.6.1 主要程序设计
3.6.2 控制运算程序设计
3.6.3 电机控制程序设计
3.6.4 MPU-6050控制程序设计
3.7 控制程序的实现
3.8 本章小结
4 平衡自行车模型搭建
4.1 陀螺仪原理平衡自行车的设计
4.1.1 车体零件选型
4.1.2 模型结构设计
4.2 车体质量、转动惯量的测量及分析
4.2.1 车体各零件质量尺寸测量
4.2.2 车体转动惯量分析
4.3 车体模型的搭建及实验
4.4 惯性原理平衡自行车模型搭建
4.5 平衡自行车控制系统的调试
4.5.1 硬件调试
4.5.2 软件调试
4.5.3 PID调试
4.6 本章小结
5 总结与展望
5.1 结论
5.2 展望
致谢
参考文献
附录Ⅰ
攻读学位期间发表的学生论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于模糊控制的旋转倒立摆稳定性仿真研究[J]. 赵博,李嘉波,李忠玉,叶敏,徐信芯. 机床与液压. 2020(07)
[2]单车自动存取装置[J]. 包新宇,朱冬梅,李响,章海涛. 广东化工. 2020(02)
[3]广义公共自行车在中国城市交通体系中的作用[J]. 汤諹,刘魏巍,何祎豪,杨飞,叶天洲. 综合运输. 2020(01)
[4]基于Modbus双层网络的智能交通系统设计[J]. 谢璐阳,赵奉奎,朱少华,夏兆君. 智能计算机与应用. 2019(06)
[5]中国人工智能学会举办2019中国人工智能产业年会[J]. 甄灏. 中国社会组织. 2019(24)
[6]从智能交通走向智慧交通[J]. 杨东援. 交通与港航. 2019(06)
[7]共享单车绿色使用行为与意愿的影响因素研究[J]. 邵鹏,王齐,赵超. 干旱区资源与环境. 2020(03)
[8]我国交通运输的发展现状及趋势研究[J]. 王惠,张震,刘金铎. 国际公关. 2019(12)
[9]六轴陀螺仪实时姿态采集与发送系统设计[J]. 张友俊,杨希. 信息技术. 2019(12)
[10]无人驾驶快速公交车辆仿真分析[J]. 潘亚嘉,聂哲俊,李锋,曾善文. 机械设计与制造. 2019(12)
硕士论文
[1]基于分布式的共享单车定位算法的研究[D]. 张健.南京邮电大学 2019
[2]机器人骑自行车系统设计及控制研究[D]. 童璐.哈尔滨理工大学 2018
[3]非同轴两轮自平衡移动机器人的平稳性研究[D]. 邱金凤.武汉理工大学 2018
[4]基于惯性轮式自行车型机器人的研究与实现[D]. 刘飞鹏.上海应用技术大学 2016
本文编号：3185659
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