一种双轮自平衡车的设计和实现

发布时间：2017-08-23 02:30

  本文关键词：一种双轮自平衡车的设计和实现

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【摘要】：双轮自平衡车是一种基于倒立摆模型设计的新型短途交通代步工具。其突出特点是体积小、结构简单、运动灵活、节能环保,能够零半径回转,适用在狭小空间内活动。其基本工作原理是依靠从姿态传感器实时获取的姿态信息,结合平衡算法驱动运动,纠正偏差,从而保持自身动态平衡。针对目前双轮自平衡车成本高,普及程度低的现状,本文基于低成本姿态传感器,提出了一套完整的双轮自平衡车设计方案,并通过组装样机验证该方案的可行性。首先,本文在系统需求分析的基础上,从机械结构、动力系统、控制系统硬件和软件、人机交互五个方面入手,提出了双轮自平衡车的总体设计方案。其次,设计了应用于双轮自平衡车的PD控制算法,并以此为基础,设计了模糊自适应PD控制算法,通过ADAMS建立了双轮自平衡车的动力学模型,通过基于ADAMS和MATLAB的联合仿真实验对两种算法进行验证和对比,为改进设计和控制策略提供理论基础。然后,设计了以时间片轮询为主的任务调度系统,从姿态信息读取和处理、Kalman滤波器设计、平衡算法实现和转向程序设计四个方面入手,设计了双轮自平衡车的软件系统,并基于Android开发了自平衡车APP,用于实现一定的人机交互功能。最后,利用实验室现有条件组装了样机，设计了相应的硬件和软件,对本文的设计方案和平衡算法进行了验证。实验结果表明该系统具有良好的控制效果,稳定性较高,从而验证了理论分析的正确以及该设计方案可行有效。
【关键词】：自平衡 模糊自适应PD算法 ADAMS与MATLAB联合仿真 Kalman滤波
【学位授予单位】：东南大学
【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
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 研究背景和意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.2.1 自平衡模型研究现状11-12
• 1.2.2 载人自平衡车研究现状12-13
• 1.2.3 平衡控制算法研究综述13-14
• 1.3 论文研究内容及重难点14-15
• 1.3.1 研究内容14
• 1.3.2 研究重难点14-15
• 1.4 论文组织架构15-16
• 第二章 双轮自平衡车总体方案设计16-30
• 2.1 需求分析16
• 2.2 系统总体设计16-17
• 2.3 机械结构设计17-18
• 2.4 动力系统设计18-23
• 2.4.1 电池选择18-19
• 2.4.2 电机类型选择19
• 2.4.3 电机功率确定19-22
• 2.4.4 电机驱动选择22-23
• 2.5 控制系统硬件设计23-28
• 2.5.1 主控芯片23-24
• 2.5.2 电源模块电路设计24-25
• 2.5.3 姿态检测模块25-26
• 2.5.4 欠压检测电路设计26-27
• 2.5.5 转向信号采集模块27
• 2.5.6 无线通信模块27-28
• 2.6 控制系统软件设计28
• 2.7 人机交互设计28-29
• 2.8 本章小结29-30
• 第三章 平衡算法的设计与仿真30-46
• 3.1 PD控制算法30-32
• 3.1.1 传统PID控制原理30-31
• 3.1.2 双轮自平衡车PD控制器的设计31-32
• 3.2 模糊自适应PD控制算法32-39
• 3.2.1 模糊控制32-34
• 3.2.2 模糊自适应PID控制原理34
• 3.2.3 双轮自平衡车模糊自适应PD控制器的设计34-39
• 3.3 基于ADAMS和MATLAB的算法仿真39-44
• 3.3.1 建立双轮自平衡车ADAMS模型39-40
• 3.3.2 建立ADAMS和MATLAB联合仿真接口40-42
• 3.3.3 建立控制算法的仿真模型42-43
• 3.3.4 仿真结果分析43-44
• 3.4 本章小结44-46
• 第四章 双轮自平衡车软件设计46-56
• 4.1 软件系统总体方案设计46-49
• 4.1.1 软件任务分析46
• 4.1.2 任务调度方式46-48
• 4.1.3 软件系统总体设计48-49
• 4.2 姿态信息读取与处理的软件设计49-53
• 4.2.1 陀螺仪与加速度计信息的采集49-50
• 4.2.2 姿态数据的融合处理50-51
• 4.2.3 Kalman滤波器的设计和实现51-53
• 4.3 平衡算法的软件实现53-54
• 4.3.1 PD控制器软件实现53
• 4.3.2 模糊自适应PD控制器软件实现53-54
• 4.4 转向程序设计54-55
• 4.5 本章小结55-56
• 第五章 基于Android的自平衡车APP的设计56-62
• 5.1 Android系统架构56-57
• 5.2 自平衡车APP的设计57-61
• 5.2.1 功能分析与总体设计57
• 5.2.2 蓝牙通信设计57-58
• 5.2.3 通信指令设计58-59
• 5.2.4 UI设计与功能实现59-61
• 5.3 本章小节61-62
• 第六章 双轮自平衡车系统实验62-70
• 6.1 样机的搭建62-64
• 6.1.1 样机的组装62-63
• 6.1.2 主控板的PCB设计63-64
• 6.2 数据读取实验64-66
• 6.2.1 电量信号采集实验64-65
• 6.2.2 姿态信息采集实验65-66
• 6.3 算法验证实验66-68
• 6.3.1 平衡算法实验66-67
• 6.3.2 滤波算法实验67-68
• 6.4 实际运行实验68-69
• 6.5 系统性能测试69
• 6.6 本章小结69-70
• 第七章 总结和展望70-72
• 7.1 总结70
• 7.2 展望70-72
• 致谢72-74
• 参考文献74-76

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

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本文编号：722498