雙輪自平衡小車小車開(kāi)題報(bào)告.doc

Harbin University Of Science And Technology 科研訓(xùn)練開(kāi)題報(bào)告兩輪自平衡車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)校：哈爾濱理工大學(xué) 學(xué)院：自動(dòng)化學(xué)院 專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù) 班級(jí)：電技11-1 姓名：鄧敏 學(xué)號(hào)：1112020103 日期：2014.12.08 項(xiàng)目名稱兩輪自平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目類型科研訓(xùn)練起止時(shí)間2014 年 12 月 8 日 至 2014 年 12 月 27日指 導(dǎo) 教 師姓名徐軍職務(wù)/職稱教授姓名馬靜職務(wù)/職稱副教授姓名劉燕職務(wù)/職稱講師一、立項(xiàng)依據(jù)1.1 研究目的及意義 近年來(lái)，兩輪自平衡小車的研究開(kāi)始在美國(guó)、日本、瑞士等國(guó)得到迅速的發(fā)展。建立了多個(gè)實(shí)驗(yàn)原機(jī)型，提出來(lái)眾多解決平衡控制的方案，并對(duì)原機(jī)型的自動(dòng)平衡性能與運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)兩輪自平衡系統(tǒng)的改造，可快速方便的應(yīng)用到眾多環(huán)境中去，如承載、運(yùn)輸、代步等。這其中蘊(yùn)藏著巨大的商機(jī)，相應(yīng)有些國(guó)外公司現(xiàn)在已經(jīng)推出了商業(yè)化產(chǎn)品，并且已經(jīng)投放到了市場(chǎng)。 兩輪自平衡小車兩輪共軸、獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、車身重中心位于車輪軸上方，通過(guò)運(yùn)動(dòng)保持平衡，可以直立運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樘貏e的結(jié)構(gòu)，它對(duì)于地形的變化有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，有著良好的運(yùn)動(dòng)性能，能夠在比較復(fù)雜的環(huán)境里面的工作，和傳統(tǒng)的輪式移動(dòng)機(jī)器人相比較，兩輪自平衡小車有著以下的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）能夠?qū)崿F(xiàn)在原地回轉(zhuǎn)和任意半徑的轉(zhuǎn)向，有更加靈活易變的移動(dòng)軌跡很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)多輪布局的缺點(diǎn)；（2）具有占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，能夠在場(chǎng)地面積很小或者要求靈活運(yùn)輸?shù)膱?chǎng)合上使用；（3）車的結(jié)構(gòu)上有很大的簡(jiǎn)化，可以把車做的更輕更?。唬?）有著較小的驅(qū)動(dòng)功率，能夠讓電池長(zhǎng)時(shí)間供電，為環(huán)保型輕車提供了一種新的概念；（5) 機(jī)器人的平衡是個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程；機(jī)器人在平衡點(diǎn)附近不停地變化進(jìn)行調(diào)節(jié)以保持平衡；（6) 重心的高度對(duì)小車運(yùn)動(dòng)和硬件設(shè)計(jì)的限制小。多輪(三輪或以上)移動(dòng)小車雖然可以穩(wěn)定地平衡，可是重心過(guò)高則小車啟動(dòng)或急停時(shí)，有傾倒的危險(xiǎn)。因此重心必須要求很低，設(shè)計(jì)時(shí)總是拉大小車的水平截面積，降低高度。這樣會(huì)造成小車體積變大，質(zhì)量增加，某些功能會(huì)受到限制。兩輪自平衡移動(dòng)小車卻無(wú)這方面的約束，重心的高低引起的不平衡已經(jīng)通過(guò)動(dòng)態(tài)平衡原理解決。因此重心的高低無(wú)嚴(yán)格限制，節(jié)省占地面積，可用在場(chǎng)地面積較小或要求靈活運(yùn)輸?shù)膱?chǎng)合；（7) 驅(qū)動(dòng)功率較小，為電池長(zhǎng)時(shí)間供電提供了可能，為環(huán)保輕型車提供了一種新的思路。鑒于這些特點(diǎn)，兩輪自平衡小車有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景。 兩輪自平衡小車是一個(gè)集動(dòng)態(tài)決策和規(guī)劃、環(huán)境感知、行為控制和執(zhí)行等多種功能于一體的綜合復(fù)雜系統(tǒng)，其關(guān)鍵是在解決自平衡的同時(shí)，還能夠適應(yīng)在各種環(huán)境下的控制任務(wù)。通過(guò)運(yùn)用外速度傳感器、角速度傳感器等，可以實(shí)現(xiàn)小車的平衡自主前進(jìn)。 近十年來(lái)，兩輪自平衡機(jī)器人引起同外許多研究機(jī)構(gòu)和機(jī)器人愛(ài)好者極大關(guān)注，各種基于不同目的、不同設(shè)計(jì)方案和控制策略的自平衡系統(tǒng)相繼而生。在這方面國(guó)外的研究比較超前，研制出了一些具有代表性的機(jī)器人。 設(shè)計(jì)出一款可以獨(dú)立行走的雙輪自平衡小車，一個(gè)集動(dòng)態(tài)決策和規(guī)劃、環(huán)境感知、行為控制和執(zhí)行等多種功能于一體的綜合復(fù)雜系統(tǒng)，其關(guān)鍵是在解決自平衡的同時(shí)，還能夠適應(yīng)在各種環(huán)境下的控制任務(wù)。通過(guò)運(yùn)用外速度傳感器、角速度傳感器等，可以實(shí)現(xiàn)小車的平衡自主前進(jìn)。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài) 兩輪自平衡小車自問(wèn)世以來(lái)，迅速成為研究各種控制理論的理想平臺(tái)，具有重大的理論意義，這要?dú)w功于她不穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)性能和系統(tǒng)所具有的非線性。 早在1 986年，日本電通大學(xué)教授山藤高橋最先提出了兩輪自平衡機(jī)器人的概念，并制造了一個(gè)在導(dǎo)軌上的兩輪倒立擺機(jī)器人。這個(gè)基本的概念就是用數(shù)字處理器來(lái)偵測(cè)平衡的改變，然后以平行的雙輪來(lái)保持機(jī)器的平穩(wěn)。這款被山藤高橋稱為平行自行車的機(jī)器人開(kāi)創(chuàng)了兩輪自平衡機(jī)器人研究的先河。 美國(guó)Segway LLC公司開(kāi)發(fā)的Segway HT兩輪平臺(tái)電動(dòng)車把人們從傳統(tǒng)的“ 三點(diǎn)平衡 ”和以低重心、大商穩(wěn)的底盤(pán)設(shè)計(jì)來(lái)避免傾斜的束縛中解脫出來(lái)，通過(guò)檢測(cè)車體的角度和角述度用適當(dāng)?shù)幕貜?fù)轉(zhuǎn)矩來(lái)避免傾刳摔倒。系統(tǒng)利用5個(gè)慣性比率傳感器(陀螺儀)、2個(gè)傾角侍感器、電機(jī)編碼器和一世光學(xué)腳墊傳感囂把系統(tǒng)的的狀態(tài)提供給了控制器，控制器經(jīng)過(guò)運(yùn)算確定輸入給電機(jī)的能量大小。 近十年來(lái)，兩輪自平衡機(jī)器人引起同外許多研究機(jī)構(gòu)和機(jī)器人愛(ài)好者極大關(guān)注，各種基于不同目的、不同設(shè)計(jì)方案和控制策略的自平衡系統(tǒng)相繼而生。在這方面國(guó)外的研究比較超前，研制出了一些具有代表性的機(jī)器人，國(guó)內(nèi)的研究基本上處于理論研究與實(shí)踐的初期，只開(kāi)發(fā)出了少數(shù)的實(shí)驗(yàn)原型機(jī)。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動(dòng)化系和力學(xué)系多位教授、博導(dǎo)、博士、碩士研究生和本科生聯(lián)合研制完成的科研成果，又名自平衡電動(dòng)代步車，是實(shí)用的兩輪自動(dòng)平衡車，己能實(shí)用化，兩輪自平衡機(jī)器幾是將倒立擺原理移植到移動(dòng)機(jī)器人上的概念。關(guān)于倒立擺的研究多年來(lái)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研究非常成熟，其文獻(xiàn)也相當(dāng)之多，然而更重要的是如何將倒立擺有效地應(yīng)用在移動(dòng)機(jī)器人上。 以上是國(guó)內(nèi)外兩輪自平衡小車的研究現(xiàn)狀，這些小車都對(duì)本課題的研究提供了很好的指導(dǎo)作用。然而，這些機(jī)器人的有關(guān)資料中并沒(méi)有對(duì)機(jī)器人速度控制的詳細(xì)介紹。二、項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容、研究目標(biāo)以及擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題2.1 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容 1) 兩輪自平衡小車物理實(shí)體的設(shè)計(jì)，各部分之間的硬件連接，搭建。 2) 小車角速度傳感器，加速度傳感器對(duì)自身信息的采集，并實(shí)現(xiàn)采集的信息對(duì)單片機(jī)進(jìn)行傳送。 3）單片機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的信息采集控制。2.2 研究目標(biāo) 設(shè)計(jì)一款可以獨(dú)立行走的雙輪自平衡小車，一個(gè)集動(dòng)態(tài)決策和規(guī)劃、環(huán)境感知、行為控制和執(zhí)行等多種功能于一體的綜合復(fù)雜系統(tǒng)，其關(guān)鍵是在解決自平衡的同時(shí)，還能夠適應(yīng)在各種環(huán)境下的控制任務(wù)。通過(guò)運(yùn)用外速度傳感器、角速度傳感器等，可以實(shí)現(xiàn)小車的平衡自主前進(jìn)。2.3 擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題 兩輪自平衡小車是一個(gè)集動(dòng)態(tài)決策和規(guī)劃、環(huán)境感知、行為控制和執(zhí)行等多種功能于一體的綜合復(fù)雜系統(tǒng)，其關(guān)鍵是在解決自平衡的同時(shí)，還能夠適應(yīng)在各種環(huán)境下的控制任務(wù)。通過(guò)運(yùn)用外速度傳感器、角速度傳感器等，可以實(shí)現(xiàn)小車的平衡自主前進(jìn)。技術(shù)關(guān)鍵： 測(cè)量小車的姿態(tài)、速度等； 使用處理芯片對(duì)姿態(tài)信息進(jìn)行處理； 使用控制芯片，用模糊控制方法控制小車。主要技術(shù)指標(biāo)：在一定角度內(nèi)實(shí)現(xiàn)平衡，受外界一定干擾能自主恢復(fù)平衡等。 兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)兩輪自平衡機(jī)器人需要設(shè)計(jì)其機(jī)械系統(tǒng)、電系統(tǒng)及軟件。而電系統(tǒng)是包括控制處理器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電源的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。軟件設(shè)計(jì)需設(shè)計(jì)機(jī)器人的工作流程。因此要設(shè)計(jì)一個(gè)完整的兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)就需要對(duì)這些部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)并整合，才能完成兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)，采用卡爾曼算法的初值計(jì)算方法及實(shí)際應(yīng)用，雙輪自平衡小車的PID控制。三、研究方案、技術(shù)路線3.1 小車動(dòng)態(tài)平衡的基本原理如下圖一所示： 圖一 動(dòng)態(tài)平衡原理圖 兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)兩輪自平衡機(jī)器人需要設(shè)計(jì)其機(jī)械系統(tǒng)、電系統(tǒng)及軟件。而電系統(tǒng)是包括控制處理器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電源的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。軟件設(shè)計(jì)需設(shè)計(jì)機(jī)器人的工作流程。因此要設(shè)計(jì)一個(gè)完整的兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)就需要對(duì)這些部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)并整合，才能完成兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。3.2 兩輪自平衡機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 兩輪自平衡機(jī)器人結(jié)構(gòu)上最顯著的特點(diǎn)在于其只有兩個(gè)輪子，而且這兩個(gè)輪子要同軸安裝分別驅(qū)動(dòng)。當(dāng)然，一個(gè)完整的兩輪自平衡機(jī)器人還包括控制處理器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電源等期間。如何將這些系統(tǒng)部件合理地安裝在一起，需要機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這部分的設(shè)計(jì)由具體安裝時(shí)根據(jù)不同模塊的輕重來(lái)安排設(shè)計(jì)，總體上讓小車承受的重力基本平衡即可。3.3 兩輪自平衡機(jī)器人電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 兩輪自平衡小車要完成其自平衡的功能，首先需要有其感知器官，感知自身的姿態(tài)，例如，傾角、傾角速度等，得到這些信息需要選擇一些合適的傳感器。而傳感器檢測(cè)到的信號(hào)，需要一個(gè)數(shù)字處理中心來(lái)接收處理，才能成為有用的信息。因此還需要選擇一個(gè)嵌入式的處理器。在嵌入式處理器中，不僅僅要處理來(lái)自傳感器的信息，還要對(duì)這些信息綜合分析得出維持機(jī)器人平衡的需要采取的措施，因此選擇的嵌入式處理器不僅僅擔(dān)負(fù)著信息采集的任務(wù)，還扮演著作為控制器的角色。最后，需要有執(zhí)行機(jī)構(gòu)在控制周期內(nèi)去執(zhí)行處理器做出的判斷。因此，在兩輪自平衡機(jī)器人電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，處理器、傳感器、以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇是至關(guān)重要的。 本設(shè)計(jì)中選用預(yù)計(jì)采用加速的傳感器，角速度傳感器，進(jìn)行采集小車當(dāng)前的平衡狀況，再把這些信息傳送到主控制器52單片機(jī)中。單片機(jī)對(duì)這些信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理。再把這些信息的處理結(jié)果傳送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向，由此來(lái)達(dá)到小車自身的平衡。由此可以看出小車的平衡過(guò)程是動(dòng)態(tài)的。具體設(shè)計(jì)框圖二如示：51單片機(jī)電源模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊傳感器模塊 圖二 系統(tǒng)框圖四、項(xiàng)目特色與創(chuàng)新之處 特色：（1）能夠?qū)崿F(xiàn)在原地回轉(zhuǎn)和任意半徑的轉(zhuǎn)向，有更加靈活易變的移動(dòng)軌跡很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)多輪布局的缺點(diǎn)；（2）具有占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，能夠在場(chǎng)地面積很小或者要求靈活運(yùn)輸?shù)膱?chǎng)合上使用；（3）車的結(jié)構(gòu)上有很大的簡(jiǎn)化，可以把車做的更輕更小；（4）有著較小的驅(qū)動(dòng)功率，能夠讓電池長(zhǎng)時(shí)間供電，為環(huán)保型輕車提供了一種新的概念；（5)機(jī)器人的平衡是個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程；機(jī)器人在平衡點(diǎn)附近不停地變化進(jìn)行調(diào)節(jié)以保持平衡；（6)重心的高度對(duì)小車運(yùn)動(dòng)和硬件設(shè)計(jì)的限制小。多輪(三輪或以上)移動(dòng)小車雖然可以穩(wěn)定地平衡，可是重心過(guò)高則小車啟動(dòng)或急停時(shí)，有傾倒的危險(xiǎn)。因此重心必須要求很低，設(shè)計(jì)時(shí)總是拉大小車的水平截面積，降低高度。這樣會(huì)造成小車體積變大，質(zhì)量增加，某些功能會(huì)受到限制。兩輪自平衡移動(dòng)小車卻無(wú)這方面的約束，重心的高低引起的不平衡已經(jīng)通過(guò)動(dòng)態(tài)平衡原理解決。因此重心的高低無(wú)嚴(yán)格限制，節(jié)省占地面積，可用在場(chǎng)地面積較小或要求靈活運(yùn)輸?shù)膱?chǎng)合；（7)驅(qū)動(dòng)功率較小，為電池長(zhǎng)時(shí)間供電提供了可能，為環(huán)保輕型車提供了一種新的思路。 創(chuàng)新之處：利用慣性技術(shù)、模糊控制使兩輪小車保持平衡，國(guó)內(nèi)外都有一定的研究。本作品旨在前人的研究基礎(chǔ)上，加上了自己的一些創(chuàng)新技術(shù)，使自己設(shè)計(jì)的小車滿足一定場(chǎng)合的要求。創(chuàng)新點(diǎn)：使用MEMS陀螺、加速度計(jì)來(lái)測(cè)姿、測(cè)速等，采用模糊控制來(lái)控制小車，實(shí)現(xiàn)小車的平衡。 五、進(jìn)度安排1、2014年12月08 日 參加科研訓(xùn)練開(kāi)題報(bào)告會(huì)，確定科研訓(xùn)練題目2、2014年12月09 日 準(zhǔn)備完成開(kāi)題報(bào)告書(shū)3、2014年12月10 日 完成科研訓(xùn)練開(kāi)題報(bào)告書(shū)4、2014年12月11 日 電路板焊接5、2014年12月15 日 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與調(diào)6、2014年12月17 日 硬件電路調(diào)試7、2014年12月19 日 軟件調(diào)試8、2014年12月23 日 聯(lián)合調(diào)試9、2014年12月25 日 綜合測(cè)試10、2014年12月27日 答辯與成績(jī)?cè)u(píng)定六、預(yù)期成果 設(shè)計(jì)一款可以獨(dú)立行走的雙輪自平衡小車,并完成報(bào)告總結(jié)。七、成績(jī)?cè)u(píng)定指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日