两轮自平衡小车反馈线性化及变结构控制研究
西安电子科技大学
硕士学位论文
两轮自平衡小车反馈线性化及变结构控制研究
姓名：朱加辉
申请学位级别：硕士
专业：控制理论与控制工程
指导教师：屈胜利
20100101
两轮自平衡小车的设计
常熟理工学院学报（自然科学）Journal of Changshu Institute Technology （Natural Sciences ）第26卷第10Vol.26No.102012年10月Oct.,2012 收稿日期：2012-09-07 基金项目：江苏省大学生实践创新训练计划项目“两轮自平衡机器小车的设计”（jx110152011） 作者简介：李荣伟（1989—），男，江苏东海人，常熟理工学院电气与自动化工程学院测控技术与仪器专业2009级学生. 通讯作者：李鑫（1983—），男，安徽亳州人，实验师，硕士，研究方向：智能控制技术与现代检测技术，E-mail:lixin_yy@https://www.360docs.net/doc/d61188801.html,．两轮自平衡小车的设计 李荣伟，李鑫，孙传开，张冬林，江振峰 （常熟理工学院电气与自动化工程学院，江苏常熟215500） 摘要：设计了以陀螺仪ENC-03以及MEMS 加速度计MMA7260为传感器的姿态感知系统， 选用16位单片机MC9S12XS128为控制核心处理器，完成对传感器信号的采集处理、车身控制以及人机交互的设计，实现小车自主控制平衡状态、运行速度以及转向角度大小等功能.实验结果表明该系统的性能满足设计要求. 关键词：两轮自平衡；姿态检测；卡尔曼滤波；数据融合；PID 控制器 中图分类号：TP242.6文献标识码：A 文章编号：1008-2794（2012）10-0070-06 近年来，随着电子技术的发展与进步，移动机器人的研究已成为目前科学研究最活跃的领域之一，移动机器人经常会遇到在较为狭窄复杂的环境中如何灵活快捷地执行任务的问题.两轮自平衡机器人的概念就是在此背景下提出来的，这种机器人区别于其他移动机器人最显著的特点是：采用了两轮共轴、各自独立驱动的工作方式（又称差分式驱动），车身的重心位于车轮轴的上方，通过轮子的前后移动保持车身的平衡、行驶[1].因为具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，所以在军用和民用领域有着广泛的应用前景，更重要的是系统具有多变量、非线性、强耦合、不稳定性的特性，使其成为很好地验证控制理论及方法的平台，具有很高的研究价值. 1系统整体设计 本文设计的自平衡车采用姿态传感器（加速度计和陀螺 仪）监测车身所处的俯仰状态和状态变化率，通过高速微控制 器（MC9S12XS128）完成数据融合处理，得到平滑而稳定车体 姿态信息，然后驱动电动机产生前进或后退的加速度来控制 车体保持平衡，同时系统还要根据速度的反馈量来完成对车 体速度和方向的控制，微控制器还需构建相关输入输出模块 和人机交互设备.系统设计总体结构框图如图1所示. 已知自平衡车高度为l ，质量为m ，将其抽象为一级倒立 摆，并将倒立摆置于可水平移动的小车上.假设其受外力干图1系统设计总体结构框图
两轮自平衡小车控制系统的设计
两轮自平衡小车控制系统的设计 摘要：介绍了两轮自平衡小车控制系统的设计与实现，系统以飞思卡尔公司的16位微控制器MC9S12XS128MAL作为核心控制单元，利用加速度传感器MMA7361测量重力加速度的分量，即小车的实时倾角，以及利用陀螺仪ENC-03MB测量小车的实时角速度，并利用光电编码器采集小车的前进速度，实现了小车的平衡和速度控制。在小车可以保持两轮自平衡前提下，采用摄像头CCD-TSL1401作为路径识别传感器，实时采集赛道信息，并通过左右轮差速控制转弯，使小车始终沿着赛道中线运行。实验表明，该控制系统能较好地控制小车平衡快速地跟随跑道运行，具有一定的实用性。 关键词：控制；自平衡；实时性 近年来，随着经济的不断发展和城市人口的日益增长，城市交通阻塞以及耗能、污染问题成为了一个困扰人们的心病。新型交通工具的诞生显得尤为重要，两轮自平衡小车应运而生，其以行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。但是，昂贵的成本还是令人望而止步，成为它暂时无法广泛推广的一个重要原因。因此，开展对两轮自平衡车的深入研究，不仅对改善平衡车的性价比有着重要意义，同时也对提高我国在该领域的科研水平、扩展机器人的应用背景等具有重要的理论及现实意义。全国大学生飞思卡尔智能车竞赛与时俱进，第七届电磁组小车首次采用了两轮小车，模拟两轮自平衡电动智能车的运行机理。在此基础上，第八届光电组小车再次采用两轮小车作为控制系统的载体。小车设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械及能源等多个学科的知识。 1 小车控制系统总体方案 小车以16位单片机MC9S12XS128MAL作为中央控制单元，用陀螺仪和加速度传感器分别检测小车的加速度和倾斜角度[1]，以线性CCD采集小车行走时的赛道信息，最终通过三者的数据融合，作为直流电机的输入量，从而驱动直流电机的差速运转，实现小车的自动循轨功能。同时，为了更方便、及时地观察小车行走时数据的变化，并且对数据作出正确的处理，本系统调试时需要无线模块和上位机的配合。小车控制系统总体架构。 2 小车控制系统自平衡原理 两轮小车能够实现自平衡功能，并且在受到一定外力的干扰下，仍能保持直立状态，是小车可以沿着赛道自动循线行走的先决条件。为了更好地控制小车的行走方式，得到最优的行走路径，需要对小车分模块分析与控制。 本控制系统维持小车直立和运行的动力都来自小车的两个轮子，轮子转动由两个直流电机驱动。小车作为一个控制对象，它的控制输入量是两个电机的转动速度。小车运动控制可以分解成以下3个基本控制任务。 （1）小车平衡控制：通过控制两个电机正反方向运动保持小车直立平衡状态； （2）小车速度控制：通过调节小车的倾斜角度来实现小车速度控制，本质上是通过控制电机的转速来实现小车速度的控制。 （3）小车方向控制：通过控制两个电机之间的转动差速实现小车转向控制。 2.1 小车平衡控制 要想实现小车的平衡控制，需要采取负反馈控制方式[2]。当小车偏离平衡点时，通过控制电机驱动电机实现加、减速，从而抵消小车倾斜的趋势，便可以保持车体平衡。即当小车有向前倾的趋势时，可以使电机正向加速，给小车一个向前的加速度，在回复力和阻尼力的作用下，小车不至于向前倾倒；当小车有向后倾的趋势时，可以使小车反向加速，给小车一个向后的加速度，从而不会让小车向后倾倒，。
基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计
基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计 摘要 两轮自平衡车是一种高度不稳定的两轮机器人，就像传统的倒立摆一样，本质不稳定是两轮小车的特性，必须施加有效的控制手段才能使其稳定。本文提出了一种两轮自平衡小车的设计方案，采用重力加速度陀螺仪传感器MPU-6050检测小车姿态，使用互补滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合。系统选用STC 公司的8位单片机STC12C5A60S2为主控制器，根据从传感器中获取的数据，经过PID算法处理后，输出控制信号至电机驱动芯片TB6612FNG，以控制小车的两个电机，来使小车保持平衡状态。 整个系统制作完成后，小车可以在无人干预的条件下实现自主平衡，并且在引入适量干扰的情况下小车能够自主调整并迅速恢复至稳定状态。通过蓝牙，还可以控制小车前进，后退，左右转。 关键词：两轮自平衡小车加速度计陀螺仪数据融合滤波 PID算法 Design of Control System of Two-Wheel Self-Balance Vehicle based on Microcontroller Abstract Two-wheel self-balance vehicle is a kind of highly unstable two-wheel robot. The characteristic of two-wheel vehicle is the nature of the instability as traditional inverted pendulum, and effective control must be exerted if we need to make it stable. This paper presents a design scheme of two-wheel self-balance vehicle. We need using gravity accelerometer
第8章 非线性系统分析 参考答案汇总
参考答案 一、填空题 1. 非本质；本质 2. 自持振荡 3. 初始条件；输入信号大小 4. 饱和非线性；死区非线性；间隙非线性；继电器非线性 5. 不稳定 6. 稳定；不稳定；半稳定 7. 自左向右；自右向左 二、分析与计算题 1. 求3()()y t ax t =的描述函数。 解：由于3()()y t ax t =是单值奇函数，所以其傅里叶级数展开式中A 0=0、A 1=0、φ1=0，将()sin x t A t ω=代入B 1的计算公式，可得 2102330340 3203203 03031()sin 1sin sin 2sin 21cos 2()2 212cos 2cos 24 1cos 412cos 22242311(cos 2cos 4)828 231 (sin 284 B y t td t aA t td t aA td t aA t d t aA t t d t t t aA d t aA t t d t aA π π π ππππωωπωωωπωωπωωπωωωπωωωπωωωπππ===-=-+=+-+==-+=-???????3 1sin 4) 003234 t t aA ππωω+= 所以 32 133()44 B aA N A aA A A === 2．设具有滞环继电器非线性特性的非线性系统结构如题图8.1所示，已知b =1，a =0.3，试判断系统是否存在自持振荡，若存在，则求出自持振荡的幅值和频率。 题图8.1 解：具有滞环的继电器非线性特性的描述函数为 2 4()j ()ab N A A a A π=≥ 其描述函数负倒数特性为 1j ()()4a A a N A b π-=≥ 可见，描述函数负倒数特性的虚部为常数4a b π-，即1()N A -曲线为一条虚部为4a b π-的直线。 由于10 ()(21)(0.41) G s s s =++，所以
两轮自平衡小车毕业设计毕业论文
两轮自平衡小车毕业设计毕业论文 目录 1.绪论 (1) 1.1研究背景与意义 (1) 1.2两轮自平衡车的关键技术 (2) 1.2.1系统设计 (2) 1.2.2数学建模 (2) 1.2.3姿态检测系统 (2) 1.2.4控制算法 (3) 1.3本文主要研究目标与容 (3) 1.4论文章节安排 (3) 2.系统原理分析 (5) 2.1控制系统要求分析 (5) 2.2平衡控制原理分析 (5) 2.3自平衡小车数学模型 (6) 2.3.1两轮自平衡小车受力分析 (6) 2.3.2自平衡小车运动微分方程 (9) 2.4 PID控制器设计 (10) 2.4.1 PID控制器原理 (10) 2.4.2 PID控制器设计 (11) 2.5姿态检测系统 (12) 2.5.1陀螺仪 (12) 2.5.2加速度计 (13) 2.5.3基于卡尔曼滤波的数据融合 (14) 2.6本章小结 (16) 3.系统硬件电路设计 (17) 3.1 MC9SXS128单片机介绍 (17) 3.2单片机最小系统设计 (19)
3.3 电源管理模块设计 (21) 3.4倾角传感器信号调理电路 (22) 3.4.1加速度计电路设计 (22) 3.4.2陀螺仪放大电路设计 (22) 3.5电机驱动电路设计 (23) 3.5.1驱动芯片介绍 (24) 3.5.2 驱动电路设计 (24) 3.6速度检测模块设计 (25) 3.6.1编码器介绍 (25) 3.6.2 编码器电路设计 (26) 3.7辅助调试电路 (27) 3.8本章小结 (27) 4.系统软件设计 (28) 4.1软件系统总体结构 (28) 4.2单片机初始化软件设计 (28) 4.2.1锁相环初始化 (28) 4.2.2模数转换模块（ATD）初始化 (29) 4.2.3串行通信模块（SCI）初始化设置 (30) 4.2.4测速模块初始化 (31) 4.2.5 PWM模块初始化 (32) 4.3姿态检测系统软件设计 (32) 4.3.1陀螺仪与加速度计输出值转换 (32) 4.3.2卡尔曼滤波器的软件实现 (34) 4.4平衡PID控制软件实现 (35) 4.5两轮自平衡车的运动控制 (37) 4.6本章小结 (39) 5. 系统调试 (40) 5.1系统调试工具 (40) 5.2系统硬件电路调试 (40) 5.3姿态检测系统调试 (41)
第8章 非线性系统
第七章非线性系统 1．基本要求 通过本章学习，应该达到： （1）正确理解描述函数的基本思想和应用条件。 （2）准确理解描述函数的定义、物理意义和求法，并会灵活应用。 （3）熟练掌握理想继电特性、死区继电特性、滞环继电特性和死区特性等典型非线性环节的描述函数，并会运用典型非线性特性的串并联分解求取复杂非线性特性的描述函数。 （4）熟练掌握运用描述函数法分析非线性系统的稳定性和自振荡的方法和步骤，并能正确计算自振荡的振幅和频率。 （5）正确理解相平面图的基本概念。 （6）熟练掌握线性二阶系统的典型相平面图及其特征。 （7）会画出非线性系统工程的典型相平面图。 （8）熟练掌握运用相平面法分析非线性系统的动态响应的方法和步骤。 2．内容提要 本章介绍了非线性系统的两种基本分析方法：描述函数法和相平面法。 （1）描述函数法 这是一种频域法，基于谐波线性化的近似分析方法。其基本思想是首先通过描述函数将非线性环节线性化，然后应用线性系统的频率法对系统进行分析。描述函数法在应用时是有条件限制的，其应用条件是： （i）非线性系统的结构图可以简化成只有一个非线性环节和一个线性部分串联的典型负反馈结构。若不是这种典型结构，则必需首先利用系统中信号间的传递关系简化成这种典型结构，才能应用描述函数法做进一步的分析。 （ii）非线性环节的静特性曲线是奇对称的。 （iii）线性部分应具有良好的高频衰减特性。 （iv）只能用来分析非线性系统的稳定性和自振荡。 （2）描述函数N(A)的计算及其物理意义 描述函数N(A)可以从定义式（7-15）出发求得，一般步骤是： （i）首先画出非线性特性在正弦信号输入下的输出波形，并写出输出波形的数学表达式。 （ii）利用付氏级数求出输出的基波分量。 （iii）将求得的基波分量代入定义式（7-15），即得N(A)。 对于复杂的非线性特性也可以将其分解为若干简单的典型非线特性的串并联，然后再由已知的这些简单非线性特性的描述函数求出复杂非线性特性的描述函数。描述函数的物理意义是描述了一个非线性元件对基波正弦量的传递能力。 （3）描述函数法分析稳定性和自振荡的一般步骤是： （i）首先求出非线性环节的描述函数N(A)。 （ii）分别画出线性部分的G(jω)曲线和非线性部分的-1/ N(A)曲线。 （iii）用奈氏判据判断稳定性和自振荡，若存在稳定的自振荡，则进一步求出自振荡的振幅和频率。 特别强调的是，应用描述函数法分析非线性系统，其结果的准确程度取决于线性部分高频、衰减特性的强弱。在对数坐标图上，取决于L(ω)曲线高频段的斜率和位置，其高频段斜率越负，位置越低，高频衰减特性越强，分析结果就越准确。
不确定性加工过程的变结构控制
收稿日期：!""#$"!$!% !基金项目： 国家自然科学基金（#"%&#"!’）作者简介：邹伟全（%’&’$），华南理工大学机械工程学院硕士研究生，研究方向为加工过程的计算机控制，（($)*+,）)*+,!-./01234562)； 姚锡凡（%’78$），华南理工大学机械工程学院博士生导师，主要研究加工过程的计算机控制，智能制造等。 文章编号：%""%$!!7#（!""#）"9$""#!$": 不确定性加工过程的变结构控制! 邹伟全，姚锡凡，刘志良 （华南理工大学机械工程学院，广州 #%"78"） 摘要：机械加工过程的模型不确定性和非线性造成加工过程控制困难，成为自动控制在加工过程中应用的瓶颈。文章分析 了加工过程切削力模型的不确定性原因，深入分析了变结构控制滑模运动所特有的不变性。基于此，提出了一种基于变结构控制的处理实际加工过程中不确定性的方法。研究表明，用变结构控制来处理加工过程不确定性是可行和有效的。关键词：不确定性；加工过程；变结构控制；鲁棒性 中图分类号：;<7#’文献标识码：= !""#$%&’()*%)+#,-.*/0./*,12&.*2#.23&0,*.)%&4)05%&%&’6*20,77,7 >?@AB+C/4*D ，E=?F+CG*D ，HI@>3+C,+*DJ （K2,,BJB 2G LB63*D+6*,(DJ+DBBM+DJ ，N24O3K3+D*@D+PBM1+OQ 2G ;B63D2,2JQ ，<4*DJ-324#%"78"，K3+D*） !+7.*)0.：;3B R+GG+64,O+B1+D 62DOM2,2G )*63+D+DJ SM26B11B162)B G2M)O3B 4D6BMO*+DOQ *DR D2D,+DB*M+OQ +D 64OO+DJ SM26B11B1，*DR .3+63MBC 14,O +D TB62)+DJ O3B T2OO,BDB6U G2M *SS,Q+DJ *4O2)*O+662DOM2,O2)*63+D+DJ5ID O3+1S*SBM ，@D6BMO*+DOQ +D 64OO+DJ G2M6B )2RB,1+1*D*,Q-BR5 =DR SBMG2M)*D6B 2G )*63+D+DJ SM26B1162DOM2,1Q1OB)1+1*D*,Q-BR TQ SM2S21+DJ *D *SSM2*63T*1BR 2D P*M+*T,B 1OM46O4MB 62DOM2,（VNK ）5;3B MB1B*M63MB14,O1132.O3*O VNK +1*MB*12D*T,B *DR BGGB6O+PB .*Q O2RB*,.+O3O3B 4D6BMO*+DOQ +D )+,,+DJ SM26B1158,$92*:7：4D6BMO*+DOQ ；)*63+D+DJ SM26B11；VNK ；M2T41ODB11 ;引言 在实际的生产过程中，由于受到各种不确定因素的影响，加工过程存在着模型、参数和测量不确定性等不确定性现象，这些不确定性信息或是随机性的、或是模糊性的、或是复合不确定性。本文系统地分析了不确定性产生机理和表现形式，并给出了加工过程模型进行针对性的讨论研究。 变结构控制是因其滑模运动对系统摄动和外部干扰具有完全的鲁棒性而受到国内外众多专家学者的重视，本文简要回顾了变结构控制的发展历程，介绍了变结构控制的实现原理以及控制器的设计方法。基于此，本文提出应用变结构控制来处理加工过程的不确定性，讨论研究了几种情形的不确定性，并与传 统方法进行了比较，给出了L*O,*T 仿真结果， 研究表明，该方法是可行和有效的。 <不确定性加工过程 假设某铣削加工过程切削力研究模型如图%所示。 图%加工过程控制系统框图 由上述模型可以推导出加工过程模型数学式： !（"）#（"）$%&!’ ! "!(!" !’"(!’!（%） 式中，%&$7"%’%"%)*+&,%-（ .’）为加工过程总增益。
双轮自平衡小车机器人系统设计与制作
燕山大学 课程设计说明书题目：双轮自平衡小车机器人系统设计与制作 学院（系）：机械工程学院 年级专业：12级机械电子工程 组号：3 学生： 指导教师：史艳国建涛艳文史小华庆玲 唐艳华富娟晓飞正操胡浩波 日期： 2015.11
燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：机械工程学院基层教学单位：机械电子工程系
摘要 两轮自平衡小车是一种非线性、多变量、强耦合、参数不确定的复杂系统，他体积小、结构简单、运动灵活，适合在狭小空间工作，是检验各种控制方法的一个理想装置，受到广大研究人员的重视，成为具有挑战性的课题之一。 两轮自平衡小车系统是一种两轮左右并行布置的系统。像传统的倒立一样，其工作原理是依靠倾角传感器所检测的位姿和状态变化率结合控制算法来维持自身平衡。本设计通过对倒立摆进行动力学建模，类比得到小车平衡的条件。从加速度计和陀螺仪传感器得出的角度。运用卡尔曼滤波优化，补偿陀螺仪的漂移误差和加速度计的动态误差，得到更优的倾角近似值。通过光电编码器分别得到车子的线速度和转向角速度，对速度进行PI控制。根据PID控制调节参数，实现两轮直立行走。通过调节左右两轮的差速实现小车的转向。 制作完成后，小车实现了在无线蓝牙通讯下前进、后退、和左右转向的基本动作。此外小车能在正常条件下达到自主平衡状态。并且在适量干扰下，小车能够自主调整并迅速恢复稳定状态。 关键词：自平衡陀螺仪控制调试
前言 移动机器人是机器人学的一个重要分支，对于移动机器人的研究，包括轮式、腿式、履带式以及水下式机器人等，可以追溯到20世纪60年代。移动机器人得到快速发展有两方面原因：一是其应用围越来越广泛；二是相关领域如计算、传感、控制及执行等技术的快速发展。移动机器人尚有不少技术问题有待解决，因此近几年对移动机器人的研究相当活跃。 近年来，随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，所面临的环境和任务也越来越复杂。机器人经常会遇到一些比较狭窄，而且有很多大转角的工作场合，如何在这样比较复杂的环境中灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。双轮自平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的。两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器人，是一种多变量、非线性、强耦合的系统，是检验各种控制方法的典型装置。同时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。因为它既有理论研究意义又有实用价值，所以两轮自平衡小车的研究在最近十年引起了大量机器人技术实验室的广泛关注。 本论文主要叙述了基于stm32控制的两轮自平衡小车的设计与实现的整个过程。主要容为两轮自平衡小车的平衡原理，直立控制，速度控制，转向控制及系统定位算法的设计。通过此设计使小车具备一定的自平衡能力、负载承载能力、速度调节能力和无线通讯功能。小车能够自动检测自身机械系统的倾角并完成姿态的调整，并在加载一定重量的重物时能够快速做出调整并保证自身系统的自我平衡。能够以不同运动速度实现双轮车系统的前进、后退、左转与右转等动作，同时也能够实现双轮自平衡车系统的无线远程控制操作
自平衡小车设计报告
2012年省电子竞赛设计报告 项目名称：自平衡小车 姓名：连文金、林冰财、陈立镔 指导老师：吴进营、苏伟达、李汪彪、何志杰日期：2012年9月7日
摘要： 本组的智能小车底座采用的是网上淘宝的三轮两个电机驱动的底座,主控芯片为STC89C52,由黑白循迹采集模块对车道信息进行采集,将采集的信息传送到主控芯片,再由主控芯片发送相应的指令到电机驱动模块L298N，从而控制电机的运转模式。 关键词： STC89C52 L298N 色标传感器 E18-F10NK 自动循迹 引言： 近现代，随着电子科技的迅猛发展，人们对技术也提出了更高的要求。汽车的智能化在提高汽车的行驶安全性，操作性等方面都有巨大的优势，在一些特殊的场合下也能满足一些特殊的需要。智能小车系统涉及到自动控制，车辆工程，计算机等多个领域，是未来汽车智能化是一个不可避免的大趋势。本文设计的小车以STC89C52为控制核心，用色标传感器 E18-F10NK作为检测元件实现小车的自动循迹前行。 一、系统设计 本组智能小车的硬件主要有以STC89C52 作为核心的主控器部分、自动循迹部分、电机驱动部分。 1.1方案论证及选择： 根据设计要求，可以有多种方法来实现小车的功能。我们采用模块化思想，从各个单元电路选择入手进行整体方案的论证、比较与选择。 本方案以STC89C52作为主控芯片，通过按键进行模式的选择切换，按键一选择三轮循迹，按键二进行两轮循迹。 1.1.1模式一（三轮循迹）： 模式一（按键一控制）：三轮循迹的时候，通过色标传感器和激光传感器进行实时的数据采集，反馈给主控芯片，主控芯片通过驱动L298来控制两路直流减速电机，从而保证路线的准确性。
大学毕业设计---基于arm的两轮自平衡车模型系统设计课程
中北大学 课程设计说明书 学生姓名: *杰学号：* 学院: 仪器与电子学院 专业: * 题目: 基于ARM的两轮自平衡车模型系统设计 指导教师：李锦明职称: 副教授 2015 年1 月30 日
摘要 近年来，两轮自平衡车的研究与应用获得了迅猛发展。本文提出了一种两轮自平衡小车的设计方案，采用陀螺仪L3G4200以及MEMS加速度传感器MMA7260构成小车姿态检测装置，使用卡尔曼滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合。系统选用飞思卡尔32位单片机Kinetis K60为控制核心，通过滤波算法实现车身控制，人机交互等。 整个系统制作完成后，各个模块能够正常并协调工作，小车可以在无人干预条件下实现自主平衡。同时在引入适量干扰情况下小车能够自主调整并迅速恢复稳定状态。 关键词：两轮自平衡陀螺仪姿态检测卡尔曼滤波数据融合
目录 1 课程设计目的 (1) 2 设计内容和要求 (1) 2.1 设计要求 (1) 2.2 研究意义 (1) 2.3 研究内容 (2) 3 设计方案及实现情况 (2) 3.1 两轮平衡车的平衡原理 (2) 3.2 系统方案设计 (3) 3.3 系统最终方案 (6) 3.4 系统软件设计 (9) 3.5 电路调试 (16) 4 课程设计总结 (18) 参考文献 (19) 附录 (20) 致谢 (21)
1 课程设计目的 （1）掌握嵌入式系统的一般设计方法和设计流程； （2）学习嵌入式系统设计，掌握相关IDE开发环境的使用方法； （3）掌握ARM的应用； （4）学习掌握嵌入式系设计的全过程； 2 设计内容和要求 2.1 设计要求 （1）学习掌握基于ARM Cortex-M4内核的Kinetis K60系列单片机的工作原理及应用；（2）学习掌握加速度计、陀螺仪的工作原理及应用； （3）设计基于PID控制的两轮自平衡车模型系统的工作原理图及PCB版图； 2.2 研究意义 近年来，随着电子技术的发展与进步，移动机器人的研究不断深入，成为目前科 学研究最活跃的领域之一，移动机器人的应用范围越来越广泛，面临的环境和任务也 越来越复杂，这就要求移动机器人必须能够适应一些复杂的环境和任务。比如，户外 移动机器人需要在凹凸不平的地面上行走，有时环境中能够允许机器人运行的地方比 较狭窄等。如何解决机器人在这些环境中运行的问题，逐渐成为研究者关心的问题[1]。 两轮自平衡机器人的概念正是在这样一个背景下提出来的，这种机器人区别于其 他移动机器人的最显著的特点是：采用了两轮共轴、各自独立驱动的工作方式(这种驱 动方式又被称为差分式驱动方式)，车身的重心位于车轮轴的上方，通过轮子的前后移 动来保持车身的平衡，并且还能够在直立平衡的情况下行驶。由于特殊的结构，其适 应地形变化能力强，运动灵活，可以胜任一些复杂环境里的工作。 两轮自平衡机器人自面世以来，一直受到世界各国机器人爱好者和研究者的关 注，这不仅是因为两轮自平衡机器人具有独特的外形和结构，更重要的是因为其自身 的本质不稳定性和非线性使它成为很好的验证控制理论和控制方法的平台，具有很高 的研究价值。
1模糊控制器的基本结构
第13章 模糊控制理论 13.1模糊控制器的基本结构 本章将介绍模糊控制(fuzzy control)的基本原理、结构分析、稳定性理论和设计方法。模糊控制器的基本结构如图13.1所示。 图13.1中，t u 是SISO 被控对象的输入，t y 是被控对象的输出，t s 是参考输入，t t t y s e -=是误差。 图中虚线框内的就是模糊控制器(FC)，它根据误差信号t e 产生合适的控制作用t u ，输出给被控对象。模糊控制器主要由模糊化接口、知识库、模糊推理机、解模糊接口四部分组成，各部分的作用概述如下。 1.模糊化(Fuzzification) 模糊化接口接受的输入只有误差信号t e ，由t e 再生成误差变化率t e 或误差的差分t e ?，模糊化接口主要完成以下两项功能。 ⑴论域变换：t e 和t e 都是非模糊的普通变量，它们的论域（即变化范围）是实数域上的一个连续闭区间，称为真实论域，分别用X 和Y 来代表。在模糊控制器中，真实论域要变换到内部论域X '和Y '。如果内部论域是离散的（有限个元素），模糊控制器称为“离散论域的模糊控制器”(D －FC)，如果内部论域是连续的（无穷多个元素），模糊控制器称为“连续论域的模糊控制器”(C －FC)。对于D －FC ，X '，Y '＝{0±整数}；对于C —FC ，X '，Y '＝[－l ，1]。无论是D －FC 还是 C －FC ，论域变换后t e ，t e 变成*t e ，*t e ，相当乘了一个比例因子（还可能有偏移）。 ⑵模糊化：论域变换后*t e 和*t e 仍是非模糊的普通变量，对它们分别定义若干个模糊集合，如：“负大”(NL)、“负中”(NM)、“负小”(NS)、“零”(Z)、“正小”(PS)、“正中” (PM)、“正大”(PL) ，…，并在其
双轮自平衡车设计报告
双轮自平衡车设计报告 学院………….......... 班级…………………… 姓名………………..手机号…………………..姓名………………..手机号…………………..姓名………………..手机号…………………..
目录 一、双轮自平衡车原理 二、总体方案 三、电路和程序设计 四、算法分析及参数确定过程
一.双轮自平衡车原理 1.控制小车平衡的直观经验来自于人们日常生活经验。一般的人通过简单练习就可以让一个直木棒在手 指尖上保持直立。这需要两个条件：一个是托着木棒的手掌可以移动；另一个是眼睛可以观察到木棒的倾斜角度和倾斜趋势（角速度）。通过手掌移动抵消木棒的倾斜角度和趋势，从而保持木棒的直立。这两个条 件缺一不可，让木棒保持平衡的过程实际上就是控制中的负反馈控制。 图1 木棒控制原理图 2.小车的平衡和上面保持木棒平衡相比，要简单一些。因为小车是在一维上面保持平衡的，理想状态下，小车只需沿着轮胎方向前后移动保持平衡即可。 图2 平衡小车的三种状态 3.根据图2所示的平衡小车的三种状态，我们把小车偏离平衡位置的角度作为偏差；我们的目标是通过 负反馈控制，让这个偏差接近于零。用比较通俗的话描述就是：小车往前倾时车轮要往前运动，小车往后倾时车轮要往后运动，让小车保持平衡。 4.下面我们分析一下单摆模型，如图4所示。在重力作用下，单摆受到和角度成正比，运动方向相反的回复力。而且在空气中运动的单摆，由于受到空气的阻尼力，单摆最终会停止在垂直平衡位置。空气的阻尼力与单摆运动速度成正比，方向相反。 图4 单摆及其运动曲线
类比到我们的平衡小车，为了让小车能静止在平衡位置附近，我们不仅需要在电机上施加和倾角成正比的回复力，还需要增加和角速度成正比的阻尼力，阻尼力与运动方向相反。 5 平衡小车直立控制原理图 5.根据上面的分析，我们还可以总结得到一些调试的技巧：比例控制是引入了回复力；微分控制是引入了阻尼力，微分系数与转动惯量有关。 在小车质量一定的情况下，重心位置增高，因为需要的回复力减小，所以比例控制系数下降；转动惯量变大，所以微分控制系数增大。在小车重心位置一定的情况下，质量增大，因为需要的回复力增大，比例控制系数增大；转动惯量变大，所以微分控制系数增大。 二.总体方案 ■小车总框图
两轮自平衡小车的设计
2015年陇东学院第十六届“挑战杯” 课外学术科技作品竞赛 双轮自平衡小车的设计与制作 学院：电气工程学院 班级：12级自动化本科班 姓名：周永 2015年12月8日
双轮自平衡小车的设计与制作 摘要：双轮自平衡小车是一个集动态决策和规划、环境感知、行为控制和执行等多种功能于一体的综合复杂系统，其关键是在解决自平衡的同时，还能够适应在各种环境下的控制任务。通过运用外加速度传感器、角速度传感器等，可以实现小车的平衡自主前进。双轮自平衡小车，涉及到传感器的驱动，数据的处理，角度的计算，电机的控制等，内容比较丰富，可作为实践自动控制原理及单片机技术的一个不错选择，是自我锻炼的绝好选题，对于以后制作此方面的民用产品也有很大的启迪作用。 关键词：双轮；自平衡；控制；传感器 1.引言 目前市场上的各种电子产品及家电机器人等行业越来越多地用到了智能控制技术。可以说，当今社会是一个智能型社会。各方各面都在竭尽全力向着智能方向发展，不论是人工智能还是联网智能，都在突出一个智能。智能已经覆盖了我们生活的方方面面，我们正在被智能的概念所潜移默化。不论是智能手机、玩具还是机器人，都已经成了我们生活的一部分。正是在这种情况下，智能交通的发展也发生了翻天覆地的变化，从飞车到自动驾驶汽车，无不在向我们说明，现代人已经对智能型交通工具期待已久了。作为最新科技产品的一个代表，最近市场上新出现的独轮车越来越受到了消费者的青睐。可以想象，最近几年内此类产品将会在市场上争得一席之地。比起独轮车，两轮车具有同样的购买热度，但是设计难度却没那么高，所以我将选择了从双轮车开始玩起智能交通工具。 2设计方案 方案一：用51单片机作为主控制器,用MPU6050模块采集姿态数据，用光电编码器对5V直流电机进行编码，显示模块采用LCD12864液晶屏，电源采用三端稳压方案，用红外遥控控制小车行走。本设计简单廉价，然而由于主控的反应相对缓慢，很难满足设计要求。 方案二：采用STM32单片机作主控制器，仍然用MPU6050模块作姿态数据采集，而电机采用二手的型号为16G214E MR19的具有高精度霍尔编码器的原价2000+的瑞士进口12V直流电机，显示模块采用了更轻薄更清晰更小巧的
两轮自平衡小车设计
两轮自平衡小车设计 一、任务要求 图1两轮自平衡车 两轮自平衡车结构原理如图1所示，主控制器（DSP）通过采集陀螺仪和加速度传感器得到位置信号，通过控制电机的正反转实现保持小车站立。 1、通过控制两个电机正反运动，实现小车在原地站立。 2、实现小车的前进、后退、转弯、原地旋转、停止等运动； 二、方案实现 2.1电机选型 图2直流电机 两轮自平衡车由于需要时刻保持平衡，对于倾角信号做出快速响应，因此对电机转矩要求较大。在此设计中选用国领电机生产的直流电机，其产品型号为GB37Y3530，工作电压6v-12v。为增大转矩，电机配有1:30传动比的减速器。
2.2电机测速方案 图3霍尔测速传感器 在电机测速方案上主流的方案有两种，分别是光电编码器和霍尔传感器。光电编码器测量精度由码盘刻度决定，刻度越多精度越高；霍尔传感器精度由永磁体磁极数目决定，同样是磁极对数越高精度越高。由于两轮自平衡车工作于剧烈震动环境中，光电编码器不适应这种环境，因此选用霍尔传感器来测量速度。电机尾部加装双通道霍尔效应编码器，AB双路输出,单路每圈脉冲16CPR,双路上下沿共输出64CPR，配合1:30的减速器传动比，可以计算出车轮转动一圈输出的脉冲数目为64X30=1920CPR，完全符合测速要求。 2.3电机驱动控制系统概述 本平台电机驱动采用全桥驱动芯片L298N，内部包含4通道逻辑驱动电路，两个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器。本驱动桥能驱动46V、2A 以下的电机。其输出可以同时控制两个电机的正反转，非常适合两轮自平衡车开发，其原理图如下图所示 图4L298N原理图 采用脉宽调制方式（即PWM，Pulse Width Modulation）来调整电机的转速和转向。脉宽调制是通过改变发出的脉冲宽度来调节输入到电机的平均电
非线性时变系统的稳定性和鲁棒性
外文资料翻译 非线性时变系统的:稳定性和鲁棒性 概要:我们这里所叙述的是采样数据模型预测控制的框架,使用连续时间模型, 但采样的实际状况以及为计算控制的状态,进行了在离散instants的时间。在此框架内可以解决一个非常大的一类系统,非线性,时变的,非完整。 如同在许多其他采样数据模型预测控制计划,barbalat的引理一个重要的角色,在证明的名义稳定的结果。这是争辩这泛barbalat的引理,形容这里,可以有也类似的的作用,在证明的鲁棒稳定性的结果,也允许以解决一个很一般类非线性,时 变的,非完整系统,受到的干扰。那个的可能性的框架内,以容纳间断的意见是必要 的实现名义的稳定性和鲁棒稳定性,例如一般类别的系统。 1 引言 许多模型预测控制(MPC)计划描述,在文献上使用连续时间的模型和样本状态 的在离散的instants 时间。见例如[3,7,9,13] ,也是[6] 。有许多好处,在考虑 连续时间模型。不过,任何可执行的模型预测控制计划只能措施,状态和解决的优化问题在离散instants的时间。 在所有的提述,引用上述情况, barbalat的引理,或修改它,是用来作为一个 重要步骤,以证明稳定的MPC的计划。( barbalat的引理是众所周知的和有力的工具,以推断的渐近稳定性的非线性系统,尤其是时间变系统,利用Lyapunov样的办法; 见例如[17]为讨论和应用)。显示模型预测控制的一项战略是稳定(在名义如此),这表明,如果某些设计参数(目标函数,码头设置等),方便的选定,然后价值函数是单调递减。然后,运用barbalat的引理,吸引力该轨迹的名义模型可以建立(i.e. x(t) →0 as t →∞).这种稳定的状态可以推断,一个很笼统的类非线性系统:包括时变 系统的,非完整系统,系统允许间断意见,等此外,如果值函数具有一定的连续性属性,然后Lyapunov稳定性(即轨迹停留任意接近的起源提供了足够的密切开始向原产地)
基于PID控制的两轮自平衡小车设计(附有程序)
基于PID控制两轮自平衡小车设计
目录 1.方案设计论证 (3) 1.1单片机的选择与论证 (3) 1.2显示模块的选择与论证 (3) 1.3按键模块的选择与论证 (4) 1.5电机模块的选择与论证 (5) 2.硬件设计 (5) 2.1微控制模块设计与分析.................................................................. 错误！未定义书签。 2.2传感器模块设计与分析.................................................................. 错误！未定义书签。 2.3显示器模块设计与分析.................................................................. 错误！未定义书签。 2.4按键模块设计与分析...................................................................... 错误！未定义书签。 2.5电源模块设计与分析...................................................................... 错误！未定义书签。 3.特色创新 (5) 4.总结 (7) 参考文献 (8)
两轮自平衡小车设计 摘要：以Kinetis_K60微处理器单片机作为控制核心，通过PID算法，利用陀螺仪，摄像头、加速度计、编码器和液晶显示器等元件，设计了此两轮自平衡控制小车，实现了小车的自动平衡。该系统的创新主要体现在可以自动循迹，实时的显示周围环境的温度及小车行驶速度，以便用户可以了解当时的温度和小车的速度。该系统的主要特点是方便，快捷，环保。 关键词：Kinetis_K60微处理器，PID,陀螺仪，加速度计，液晶显示器 Abstract：We use Kinetis_K60 micro processor control with micro controller as the core,through the PID algorithm, using gyroscopes, cameras, accelerometers, encoders and LCD monitors and other components,designed the two-wheeled self-balancing control car to achieve as elf-balancing car.Innovation is mainly reflected in the system can automatically tracking, real-time display of temperature and speed of the car with the surrounding environment,so that users can under stand the prevailing temperature and the speed of the car.The main features of the system is easy, fast and environmentally friendly. Keyword：Kinetis_K60 micro processor PID algorithm accelerometers 就目前市场上的小车来说，结构过于普通，而且大部分是通过四轮同时着地行走的，同时不够智能和人性化，所以我们设计了两轮自平衡控制小车。 1.方案设计论证 1.1单片机的选择与论证 方案一：凌阳公司的16位单片机。 该单片机是16位控制器，具有体积小、驱动能力强、可靠性高、功耗低、结构简单、具有语音处理、运算速度快等优点，但凌阳公司的单片机编程规则与传统的单片机大不相同，并且IO口数量相对于其他单片机来说较少。 方案二：ATMEL公司的AT89s52作为系统的控制器。 AT89s52单片机软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，成本低，被各个领域广泛应用。但是51系列单片机RAM、ROM等资源少，外围模块少，指令周期长。 方案三：Kinetis_K60微处理器。 Kinetis_K60微处理器，它具有144个I/O管脚，此处理器具有高速的处理速度和丰富的I/O管脚，可以作为整个小车的控制核心。 经过综合考虑，我们选择方案三。 1.2显示模块的选择与论证 方案一：采用LED数码管显示。 LED数码管显示虽然具有亮度高，醒目，价格便宜，寿命长；但是只能显示0～9的数字和一些简单的字符，电路复杂，占用资源较多且信息量小。 方案二：用12864液晶显示。 其优点是能显示更多的字符，功耗低，体积小，且有着良好的人机界面，能够实时的反映出系统当前的状态。 方案三：采用Nokia5110液晶显示。