基于压力传感器转向的平衡车系统研究
发布时间：2021-10-08 17:32
自从服务机器人的设想被提出以来,众多学者和产业人员投身研究行列。载人平衡车作为服务机器人研究范畴的重要分支,其相关设计研究一直是热门课题。此外,平衡车具有构造简洁、体积小巧轻便、适合穿梭于复杂空间环境的特点,操作简便、趣味性高,因此受到人们的广泛青睐。本文首先介绍了两轮载人自平衡车的发展历史、数学模型以及运行原理,对两轮载人自平衡车进行了多参数系统建模。采用拉格朗日（Lagrange）法建立平衡车的动态模型,考虑广义力与系统动能的关系,极大的简化了系统的数学模型,同时也能更好的表征两轮自平衡车这种非线性多参数组合的系统。在MATLAB/Simulink平台上对两轮自平衡车的动力学模型进行了仿真验证。仿真结果表明,建立的数学模型可以有效的表征实际的平衡车运行状态。其次,对现有的平衡车结构及其控制方式进行了研究和总结。注意到传统的平衡车是通过转向把手或者转向杆控制转向的,虽然能够实现平衡车的灵活转向,但是其机械结构较为复杂,同时增加了车体的重量和体积。因此本文提出了基于压力传感器实现转向功能的设计方案,利用传感器获取左右踏板的压力差值,通过归一化处理后计算得到一定的占空比,将维持平衡和实现...
【文章来源】：上海理工大学上海市
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 自平衡车国外研究现状
1.2.2 自平衡车国内研究现状
1.2.3 国内外研究现状分析与总结
1.3 论文研究的主要内容
第二章 两轮自平衡车系统建模
2.1 Lagrange法两轮自平衡车模型
2.1.1 车体动能计算
2.1.2 车轮动能计算
2.1.3 两轮自平衡车广义力计算
2.1.4 Lagrange动力学模型
2.2 模型验证
2.2.1 模型线性化
2.2.2 仿真验证
第三章 两轮自平衡车控制器设计
3.1 系统特性分析
3.1.1 最大车体倾角分析
3.1.2 最大车体转向速度分析
3.2 自平衡车控制策略分析
3.2.1 直线运行时系统的等效模型
3.2.2 平衡控制策略
3.2.3 速度控制策略
3.2.4 电流控制策略
3.2.5 转向控制策略
3.3 三闭环PID控制器设计
第四章 两轮自平衡车原型设计
4.1 系统设计原理分析
4.2 系统硬件设计
4.2.1 最小系统设计
4.2.2 供电系统设计
4.2.3 倾角姿态检测系统设计
4.2.4 压力检测系统设计
4.2.5 电流采集系统设计
4.2.6 蓝牙通讯设计
4.3 驱动电路开发
4.3.1 无刷直流电机的工作原理
4.3.2 霍尔传感器
4.3.3 三相全控桥电路驱动原理
4.4 载人自平衡车机械结构
4.5 系统软件设计
4.5.1 系统软件主架构
4.5.2 优化的倾角计算方法
4.5.3 人机交互APP
第五章 实验结果与分析
5.1 系统样机与实验环境
5.2 平衡姿态测试
5.3 倾角融合测试
总结与展望
参考文献
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]线性最优控制方法及其在旋转倒立摆中的应用分析[J]. 牛伯冕. 自动化与仪器仪表. 2018(02)
[2]倒立摆线性二次型最优控制方法研究[J]. 夏浩军,邱荣华. 机械制造与自动化. 2018(01)
[3]基于卡尔曼滤波和双闭环PID控制的平衡车控制系统设计[J]. 李泽宇. 电子世界. 2018(01)
[4]一种基于电流反馈的分段式PWM控制无刷直流电机转矩波动抑制方法[J]. 夏鲲,董斌,卢晶. 电工技术学报. 2017(17)
[5]双轮自平衡车的双闭环式PID控制系统设计与实现[J]. 林枫,蔡延光. 工业控制计算机. 2017(06)
[6]基于myRIO控制器的自平衡车的PID算法实现[J]. 茅颖. 福建电脑. 2016(12)
[7]LQR的ABC-BP网络平衡车变负载控制研究[J]. 陈健飞,蒋刚,留沧海,杨剑锋. 机械设计与制造. 2016(10)
[8]两轮自平衡车的自适应模糊滑模控制[J]. 杨兴明,段举. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2016(02)
[9]基于拉格朗日方程建立的码垛机器人大转角动力学模型[J]. 李德虎. 太原理工大学学报. 2014(03)
[10]电力系统能控性与能观性研究[J]. 李志,李志学,张宇畅. 科技资讯. 2012(24)
硕士论文
[1]一种采用双PID串级控制的双轮自平衡车的研制[D]. 乔纬国.吉林大学 2017
[2]双轮自平衡移动机器人的设计与研究[D]. 张建.安徽大学 2016
[3]载人双轮自平衡车的分析与设计[D]. 张庆涛.山东大学 2015
[4]基于增强拓扑神经网络的自平衡车研究[D]. 宾朋.西南科技大学 2015
[5]载人平衡车控制系统的设计与实现[D]. 徐文凯.哈尔滨理工大学 2014
[6]两轮自平衡机器人的建模、控制与实验研究[D]. 袁俊.西安电子科技大学 2014
[7]永磁同步电机的齿槽转矩优化和控制系统研究[D]. 上官景仕.浙江大学 2014
[8]基于模糊PD的两轮自平衡车的设计[D]. 行阳阳.太原理工大学 2013
[9]单座两轮自平衡电动车控制系统研究[D]. 董晓鹏.郑州大学 2012
[10]自平衡两轮移动机器人的设计[D]. 杨慧.苏州大学 2012
本文编号：3424630
【文章来源】：上海理工大学上海市
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 自平衡车国外研究现状
1.2.2 自平衡车国内研究现状
1.2.3 国内外研究现状分析与总结
1.3 论文研究的主要内容
第二章 两轮自平衡车系统建模
2.1 Lagrange法两轮自平衡车模型
2.1.1 车体动能计算
2.1.2 车轮动能计算
2.1.3 两轮自平衡车广义力计算
2.1.4 Lagrange动力学模型
2.2 模型验证
2.2.1 模型线性化
2.2.2 仿真验证
第三章 两轮自平衡车控制器设计
3.1 系统特性分析
3.1.1 最大车体倾角分析
3.1.2 最大车体转向速度分析
3.2 自平衡车控制策略分析
3.2.1 直线运行时系统的等效模型
3.2.2 平衡控制策略
3.2.3 速度控制策略
3.2.4 电流控制策略
3.2.5 转向控制策略
3.3 三闭环PID控制器设计
第四章 两轮自平衡车原型设计
4.1 系统设计原理分析
4.2 系统硬件设计
4.2.1 最小系统设计
4.2.2 供电系统设计
4.2.3 倾角姿态检测系统设计
4.2.4 压力检测系统设计
4.2.5 电流采集系统设计
4.2.6 蓝牙通讯设计
4.3 驱动电路开发
4.3.1 无刷直流电机的工作原理
4.3.2 霍尔传感器
4.3.3 三相全控桥电路驱动原理
4.4 载人自平衡车机械结构
4.5 系统软件设计
4.5.1 系统软件主架构
4.5.2 优化的倾角计算方法
4.5.3 人机交互APP
第五章 实验结果与分析
5.1 系统样机与实验环境
5.2 平衡姿态测试
5.3 倾角融合测试
总结与展望
参考文献
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]线性最优控制方法及其在旋转倒立摆中的应用分析[J]. 牛伯冕. 自动化与仪器仪表. 2018(02)
[2]倒立摆线性二次型最优控制方法研究[J]. 夏浩军,邱荣华. 机械制造与自动化. 2018(01)
[3]基于卡尔曼滤波和双闭环PID控制的平衡车控制系统设计[J]. 李泽宇. 电子世界. 2018(01)
[4]一种基于电流反馈的分段式PWM控制无刷直流电机转矩波动抑制方法[J]. 夏鲲,董斌,卢晶. 电工技术学报. 2017(17)
[5]双轮自平衡车的双闭环式PID控制系统设计与实现[J]. 林枫,蔡延光. 工业控制计算机. 2017(06)
[6]基于myRIO控制器的自平衡车的PID算法实现[J]. 茅颖. 福建电脑. 2016(12)
[7]LQR的ABC-BP网络平衡车变负载控制研究[J]. 陈健飞,蒋刚,留沧海,杨剑锋. 机械设计与制造. 2016(10)
[8]两轮自平衡车的自适应模糊滑模控制[J]. 杨兴明,段举. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2016(02)
[9]基于拉格朗日方程建立的码垛机器人大转角动力学模型[J]. 李德虎. 太原理工大学学报. 2014(03)
[10]电力系统能控性与能观性研究[J]. 李志,李志学,张宇畅. 科技资讯. 2012(24)
硕士论文
[1]一种采用双PID串级控制的双轮自平衡车的研制[D]. 乔纬国.吉林大学 2017
[2]双轮自平衡移动机器人的设计与研究[D]. 张建.安徽大学 2016
[3]载人双轮自平衡车的分析与设计[D]. 张庆涛.山东大学 2015
[4]基于增强拓扑神经网络的自平衡车研究[D]. 宾朋.西南科技大学 2015
[5]载人平衡车控制系统的设计与实现[D]. 徐文凯.哈尔滨理工大学 2014
[6]两轮自平衡机器人的建模、控制与实验研究[D]. 袁俊.西安电子科技大学 2014
[7]永磁同步电机的齿槽转矩优化和控制系统研究[D]. 上官景仕.浙江大学 2014
[8]基于模糊PD的两轮自平衡车的设计[D]. 行阳阳.太原理工大学 2013
[9]单座两轮自平衡电动车控制系统研究[D]. 董晓鹏.郑州大学 2012
[10]自平衡两轮移动机器人的设计[D]. 杨慧.苏州大学 2012
本文编号：3424630
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