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文檔簡介
1、雙輪自平衡小車小車開題報告HEN system office room HEN 16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688Harbin University Of Science AndTechnology科研訓(xùn)練開題報告兩輪自平衡車系統(tǒng)設(shè)計學(xué)校:哈爾濱理工大學(xué)學(xué)院:自動化學(xué)院專業(yè):電子信息科學(xué)與技術(shù)班級:電技11T姓名:鄧敏3項目名稱兩輪自平衡系統(tǒng)設(shè)計項目類型科研訓(xùn)練起止時間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、立項依據(jù)研究目的及意義近年來,兩輪自平衡小車的研究開始在美國、日本、瑞士等國得到迅
2、速的 發(fā)展。建立了多個實驗原機(jī)型,提出來眾多解決平衡控制的方案,并對原機(jī)型 的自動平衡性能與運動特性進(jìn)行了驗證。通過對兩輪自平衡系統(tǒng)的改造,可快 速方便的應(yīng)用到眾多環(huán)境中去,如承載、運輸、代步等。這其中蘊(yùn)藏著巨大的 商機(jī),相應(yīng)有些國外公司現(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。兩輪自平衡小車兩輪共軸、獨立驅(qū)動、車身重中心位于車輪軸上方,通過 運動保持平衡,可以直立運動,因為特別的結(jié)構(gòu),它對于地形的變化有很強(qiáng)的 適應(yīng)能力,有著良好的運動性能,能夠在比較復(fù)朵的環(huán)境里面的工作,和傳統(tǒng) 的輪式移動機(jī)器人相比較,兩輪自平衡小車有著以下的兒個優(yōu)點:(1)能夠 實現(xiàn)在原地回轉(zhuǎn)和任意半徑的轉(zhuǎn)向,有更
3、加靈活易變的移動軌跡很好地彌補(bǔ)了 傳統(tǒng)多輪布局的缺點;(2)具有占地面積小的優(yōu)點,能夠在場地面積很小或 者要求靈活運輸?shù)膱龊仙鲜褂?;?)車的結(jié)構(gòu)上有很大的簡化,可以把車做 的更輕更??;(4)有著較小的驅(qū)動功率,能夠讓電池長時間供電,為環(huán)保型 輕車提供了一種新的概念;(5)機(jī)器人的平衡是個動態(tài)過程;機(jī)器人在平衡 點附近不停地變化進(jìn)行調(diào)節(jié)以保持平衡;(6)重心的高度對小車運動和硬件 設(shè)計的限制小。多輪(三輪或以上)移動小車雖然可以穩(wěn)定地平衡,可是重心過 高則小車啟動或急停時,有傾倒的危險。因此重心必須要求很低,設(shè)計時總是 拉大小車的水平截面積,降低高度。這樣會造成小車體積變大,質(zhì)量增加,某 些功
4、能會受到限制。兩輪自平衡移動小車卻無這方面的約束,重心的高低引起 的不平衡已經(jīng)通過動態(tài)平衡原理解決。因此重心的高低無嚴(yán)格限制,節(jié)省占地 面積,可用在場地面積較小或要求靈活運輸?shù)膱龊希唬?)驅(qū)動功率較小,為 電池長時間供電提供了可能,為環(huán)保輕型車提供了一種新的思路。鑒于這些特 點,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集動態(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,還能夠適應(yīng) 在各種環(huán)境下的控制任務(wù)。通過運用外速度傳感器、角速度傳感器等,可以實 現(xiàn)小車的平衡自主前進(jìn)。近十年來,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
5、愛好者極大 關(guān)注,各種基于不同LI的、不同設(shè)計方案和控制策略的自平衡系統(tǒng)相繼而生。 在這方面國外的研究比較超前,研制出了一些具有代表性的機(jī)器人。設(shè)計出一款可以獨立行走的雙輪自平衡小車,一個集動態(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)朵系統(tǒng),其關(guān)鍵是在解決 自平衡的同時,還能夠適應(yīng)在各種環(huán)境下的控制任務(wù)。通過運用外速度傳感 器、角速度傳感器等,可以實現(xiàn)小車的平衡自主前進(jìn)。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)兩輪自平衡小車自問世以來,迅速成為研究各種控制理論的理想平臺,具 有重大的理論意義,這要歸功于她不穩(wěn)定的動態(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
6、提出了兩輪自平衡機(jī)器人 的概念,并制造了一個在導(dǎo)軌上的兩輪倒立擺機(jī)器人。這個基本的概念就是用 數(shù)字處理器來偵測平衡的改變,然后以平行的雙輪來保持機(jī)器的平穩(wěn)。這款被 山藤高橋稱為平行自行車的機(jī)器人開創(chuàng)了兩輪自平衡機(jī)器人研究的先河。美國Segway LLC公司開發(fā)的Segway HT兩輪平臺電動車把人們從傳統(tǒng)的 “三點平衡”和以低重心、大商穩(wěn)的底盤設(shè)汁來避免傾斜的束縛中解脫出 來,通過檢測車體的角度和角述度.用適當(dāng)?shù)幕貜?fù)轉(zhuǎn)矩來避免傾剖摔倒。系統(tǒng) 利用5個慣性比率傳感器(陀螺儀)、2個傾角侍感器、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)過運算確定輸入給電機(jī) 的能量大小。
7、近十年來,兩輪自平衡機(jī)器人引起同外許多研究機(jī)構(gòu)和機(jī)器人愛好者極大 關(guān)注,各種基于不同LI的、不同設(shè)訃方案和控制策略的自平衡系統(tǒng)相繼而生。 在這方面國外的研究比較超前,研制出了一些具有代表性的機(jī)器人,國內(nèi)的研 究基本上處于理論研究與實踐的初期,只開發(fā)出了少數(shù)的實驗原型機(jī)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動化系和力學(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,乂名自平衡電動代步車,是實用的兩輪自 動平衡車,己能實用化,兩輪自平衡機(jī)器兒是將倒立擺原理移植到移動機(jī)器人 上的概念。關(guān)于倒立擺的研究多年來國內(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)用在移動機(jī)器人
8、上。以上是國內(nèi)外兩輪自平衡小車的研究現(xiàn)狀,這些小車都對本課題的研究提 供了很好的指導(dǎo)作用。然而,這些機(jī)器人的有關(guān)資料中并沒有對機(jī)器人速度控 制的詳細(xì)介紹。二、項目研究內(nèi)容、研究目標(biāo)以及擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問題項目研究內(nèi)容1)兩輪自平衡小車物理實體的設(shè)計,各部分之間的硬件連接,搭建。2)小車角速度傳感器,加速度傳感器對自身信息的釆集,并實現(xiàn)釆集的信 息對單片機(jī)進(jìn)行傳送。3)單片機(jī)軟件的設(shè)計,實現(xiàn)對小車的信息采集控制。研究目標(biāo)設(shè)計一款可以獨立行走的雙輪自平衡小車,一個集動態(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,還能夠適應(yīng)在各種環(huán)境下的控制任
9、務(wù)。通過運用外速度傳感器、 角速度傳感器等,可以實現(xiàn)小車的平衡自主前進(jìn)。擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問題兩輪自平衡小車是一個集動態(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,還能夠適應(yīng) 在各種環(huán)境下的控制任務(wù)。通過運用外速度傳感器、角速度傳感器等,可以實 現(xiàn)小車的平衡自主前進(jìn)。技術(shù)關(guān)鍵:測量小車的姿態(tài)、速度等;使用處 理芯片對姿態(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)是一個復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng),設(shè)計兩輪自平衡機(jī)器人需 要設(shè)計其機(jī)械系統(tǒng)、電系統(tǒng)及軟件。而電系
10、統(tǒng)是包括控制處理器、傳感器、執(zhí) 行機(jī)構(gòu)和電源的一個復(fù)朵系統(tǒng)。軟件設(shè)計需設(shè)計機(jī)器人的工作流程。因此要設(shè) 計一個完整的兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)就需要對這些部分分別進(jìn)行設(shè)計并整合, 才能完成兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計包括軟件設(shè)計和硬件設(shè)計,采用卡爾曼算法的初值計算方法及實 際應(yīng)用,雙輪自平衡小車的PID控制。三、研究方案、技術(shù)路線小車動態(tài)平衡的基本原理如下圖一所示:圖一動態(tài)平衡原理圖兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)是一個復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng),設(shè)訃兩輪自平衡機(jī)器人需 要設(shè)計淇機(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)和電源的一個復(fù)朵系統(tǒng)。軟件設(shè)計需設(shè)計機(jī)器人的工作流程。因此要設(shè) 計一個完
11、整的兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)就需要對這些部分分別進(jìn)行設(shè)計并整合, 才能完成兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計。兩輪自平衡機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計兩輪自平衡機(jī)器人結(jié)構(gòu)上最顯著的特點在于其只有兩個輪子,而且這兩個 輪子要同軸安裝分別驅(qū)動。當(dāng)然,一個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。這部分的設(shè)汁山具體安裝時根據(jù)不同模塊的輕 重來安排設(shè)計,總體上讓小車承受的重力基本平衡即可。兩輪自平衡機(jī)器人電系統(tǒng)設(shè)計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
12、些合適的傳感 器。而傳感器檢測到的信號,需要一個數(shù)字處理中心來接收處理,才能成為有 用的信息。因此還需要選擇一個嵌入式的處理器。在嵌入式處理器中,不僅僅 要處理來自傳感器的信息,還要對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)計中選用預(yù)計釆用加速的傳感器,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)對這些信息進(jìn)
13、 行實時的處理。再把這些信息的處理結(jié)果傳送給電機(jī)驅(qū)動器,控制電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn) 向,山此來達(dá)到小車自身的平衡。山此可以看出小車的平衡過程是動態(tài)的。具 體設(shè)計框圖二如示:電源模塊電機(jī)驅(qū)動模塊 傳感器模塊51單片機(jī)四、項目特色與創(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 動軌跡很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)多輪布局的缺點;(2)具有占地面積小的優(yōu)點,能夠 在場地面積很小或者要求靈活運輸?shù)膱龊仙鲜褂?;?)車的結(jié)構(gòu)上有很大的簡 化,可以把車做的更輕更??;(4)有著較小的驅(qū)動功率,能夠讓電池長時間供 電,為環(huán)保型輕車提供了一種新的概念;(5)機(jī)器人的平衡是個動態(tài)過程;機(jī) 器人在平衡點附近不停
14、地變化進(jìn)行調(diào)節(jié)以保持平衡;(6)重心的高度對小車運 動和硬件設(shè)計的限制小。多輪(三輪或以上)移動小車雖然可以穩(wěn)定地平衡,可 是重心過高則小車啟動或急停時,有傾倒的危險。因此重心必須要求很低,設(shè) 計時總是拉大小車的水平截面積,降低高度。這樣會造成小車體積變大,質(zhì)量 增加,某些功能會受到限制。兩輪自平衡移動小車卻無這方面的約束,重心的 高低引起的不平衡已經(jīng)通過動態(tài)平衡原理解決。因此重心的高低無嚴(yán)格限制, 節(jié)省占地面積,可用在場地面積較小或要求靈活運輸?shù)膱龊?;?)驅(qū)動功率較 小,為電池長時間供電提供了可能,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)計的小車滿足一定場合的要求。創(chuàng)新點:使用MEMS陀螺、加速度計來測 姿、測速等,采用模糊控制來控制小車,實現(xiàn)小車的平衡。五、進(jìn)度安排、1234 5 67892020120812091210121112151217121912231225三 三 三 三 三 三
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