两轮自平衡车系统的研究与设计

发布时间：2023-04-26 18:21

　　两轮式自平衡车系统一方面具有非线性、多变量、强耦合、参数不确定等特征,可以作为研究控制方法处理能力的典型装置。另一方面,又具有体积小、结构简单、运动灵活、反映迅速,零角度下实现回转等特点,能够很好完成在适宜环境下的任务处理。所以本课题以变载荷作用下的两轮式自平衡车移动机器人作为研究对象,研究其功能实现和任务处理过程。根据对当前自平衡车系统研究现状的仔细分析和总结,确定了课题未来研究方向和研究重点,寻找研究的创新点。同时借鉴于自平衡代步车的设计思路与相关经验总结,制定出了本课题的实验计划和目标。总体来讲,本课题的重点研究内容分为四个部分。第一,相关功能实现的原理分析和对自平衡车体简化的数学模型分析,建立关于车身倾角的传递函数,并利用MATLAB作出倾角在阶跃输入状态下的时域响应曲线。第二,依据理论分析和任务处理目标,选择使用PID控制算法来作为系统的控制策略。结合相关实验进行参数初调,确定相应PID参数的取值范围。第三,设计并搭建自平衡车体的机械结构、硬件和软件系统。画出车体的三维图和PCB图,并设计出基于安卓平台的APP来实现无线遥控,通过蓝牙发送给设备端自平衡车功能指令与实现在线试调...

【文章页数】：84 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
中文摘要
英文摘要
1 绪论
    1.1 两轮自平衡车课题研究背景和意义
        1.1.1 课题研究背景
        1.1.2 课题研究意义
    1.2 两轮自平衡车的研究现状
        1.2.1 国外研究现状
        1.2.2 国内研究现状
    1.3 两轮自平衡车的关键技术
    1.4 课题主要研究内容
    1.5 本章小结
2 系统原理介绍与模型分析
    2.1 自平衡车的控制原理
        2.1.1 直立控制原理
        2.1.2 速度控制原理
        2.1.3 转向控制原理
    2.2 APP数据传输原理
        2.2.1 蓝牙无线通信协议
        2.2.2 手机APP功能实现原理
    2.3 系统的数学模型和实体模型分析
        2.3.1 车体的数学模型分析
        2.3.2 变载荷装置的实体模型分析
    2.4 本章小结
3 基于PID算法的控制系统方案设计
    3.1 PID控制原理
    3.2 PID参数整定方法
    3.3 控制系统PID参数初调
        3.3.1 直立参数初调
        3.3.2 速度参数初调
        3.3.3 转向参数确定
    3.4 本章小结
4 自平衡车控制系统的详细设计
    4.1 硬件系统设计
        4.1.1 最小系统电路设计
        4.1.2 电机驱动模块设计
        4.1.3 电源降压模块设计
        4.1.4 传感器电路设计
        4.1.5 拓展功能设计
    4.2 软件系统设计
        4.2.1 控制板主程序设计
        4.2.2 电机驱动程序设计
        4.2.3 手机APP程序设计
    4.3 传感器数据处理算法
        4.3.1 编码器速度检测
        4.3.2 姿态传感器的数据融合
    4.4 本章小结
5 自平衡车平台实验分析
    5.1 实验平台
        5.1.1 实验准备工作
        5.1.2 车体平台搭建
    5.2 空载自平衡车实验
        5.2.1 直立控制K_d参数取值实验
        5.2.2 速度控制K_P参数取值实验
        5.2.3 获取姿态角的算法选择实验
    5.3 负载自平衡车实验
        5.3.1 负载自平衡车性能测试
        5.3.2 负载自平衡车功能实验
    5.4 本章小结
6 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
致谢
参考文献
附录
    A.作者在攻读硕士期间取得的科研成果
    B.硬件系统原理图和PCB图
    C.自平衡车模型的机械结构图
    D.相关算法程序



本文编号：3801977