两轮自平衡电动车的控制率设计及优化(附件)
摘 要摘 要两轮平衡车是由车体和两个平行布置的车轮组成的一种机器人，作为人们的代步工具，它的市场前景十分广阔。文中旨在研究两轮平衡车的控制率，两轮平衡车主要是由车体和两个平行的车轮组成的，和倒立摆的特点一样，它是摇摆不稳定的，必须要有一定的控制策略使之在运行过程中处于稳定状态。文中选择使用的是有刷直流电机，用它来驱动两轮平衡车。在深入了解了有刷直流电机的工作原理后，对有刷直流电机进行了Simulink的建模；为了使PD控制器控制电机输出适当转速以致小车达到动态平衡，文中提出了基于人工鱼群的免疫遗传算法(AFBIGA)，该算法通过在基本免疫遗传算法（IGA）的变异操作之后加入人工鱼群算法中的追尾算子和觅食算子形成。函数测试结果显示，与遗传算法（GA）和IGA相比，文中的算法收敛速度更快，寻优能力更强，优化精度更高。然后利用此算法优化PD控制器的参数。最后，进行实验仿真。首先，选取随机的Kp、Kd值进行仿真；然后，取基于人工鱼群的免疫遗传算法优化后的Kp、Kd值进行仿真，比较两者仿真结果可以看出：后者控制的效果明显优于前者。本文的研究结果可以为实际中两轮平衡车的控制提供依据。关键字：两轮平衡电动车；有刷直流电机；控制率；人工鱼群；Simulink仿真目 录
第一章 绪论 1
1.1 两轮平衡车的研究意义 1
1.2 两轮平衡车的发展历史和研究现状 1
1.2.1 国外研究成果 2
1.2.2 国内研究成果 4
1.3 本论文的主要研究内容 5
第二章 平衡车控制系统的建模 7
2.1 电机的选择 7
2.2 有刷直流电机的工作原理 7
2.3 有刷直流电机的数学模型 8
2.3.1 典型的单位反馈系统 8
2.3.2 有刷直流电机的数学模型 9
2.4 本章小结 11
第三章 平衡车控制率的优化 12
3.1 基于人工鱼群的免疫遗传算法的设计 12
3.1.1 免疫遗传算法 12
3.1.2 人工鱼群算法 13
3.1.3 算法执行步骤 14
3.2 算法性能测试比较 14
3.3 PD控
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
2.3.2 有刷直流电机的数学模型 9
2.4 本章小结 11
第三章 平衡车控制率的优化 12
3.1 基于人工鱼群的免疫遗传算法的设计 12
3.1.1 免疫遗传算法 12
3.1.2 人工鱼群算法 13
3.1.3 算法执行步骤 14
3.2 算法性能测试比较 14
3.3 PD控制器设计 16
3.3.1 PD控制系统原理 16
3.3.2 PD控制器各环节的作用 17
3.3.3 位置式数字PD控制器 18
3.4 PD控制器参数的优化 19
3.5 优化结果分析 20
3.6 本章小结 21
第四章 平衡车的控制仿真实验 22
4.1 Simulink简介 22
4.2 Simulink仿真模型搭建 22
4.2.1 有刷直流电机PD参数优化模型 22
4.2.2 Simulink部分功能模块介绍 23
4.2.3 仿真模型 29
4.3 Simulink仿真验证 30
4.3.1 “试凑法”PD参数值仿真 30
4.3.2 基于人工鱼群的免疫遗传算法PD参数值仿真 34
4.4 本章小结 35
结论与展望 36
致 谢 37
参考文献 38
附录A 40
附录B 41
第一章 绪论
1.1 两轮平衡车的研究意义
随着科技及经济的快速发展，人们的生活节奏越来越快，交通拥堵，环境遭到严重污染，两轮自平衡电动车的提出可以有效解决这些问题。两轮自平衡电动车两轮共轴、独立驱动，其质量轻、体积小、运动灵活、便于操作，并且它适应地形变化的能力也很强，可以在空间狭小及地面状态复杂的情况下使用。作为人们短途出行的代步工具，它可以缓解人们出行的劳累，节省人们的出行时间。因此，两轮平衡车的市场应用前景十分广阔。电能作为两轮平衡车的动力来源，易获取，且节约能源，保护环境，契合于当今绿色低碳出行的主题。
两轮平衡车体系可以判断分析周围的环境情况，继而进行行为控制。在运动控制范畴中，控制算法的有效性可以利用两轮平衡车系统去检验，这种方式是相当实用的。两轮平衡车控制操作系统繁琐，涉及大量的复杂控制算法，两轮平衡车所需要的参数复杂，变化无常，所以它是理论研究和实验仿真的理想平台。
1.2 两轮平衡车的发展历史和研究现状
如图11，是日本学者Kazuo Yamafuji成功发明出的一种机器人，它是世界上出现最早可以自主站立的机器人[1]。在当时，控制原理和控制策略发展水平都还很低，所以研制的机器人只可沿着事先设置好的轨道行驶，从而没法完成转弯等复杂活动。
图11： 自主站立的移动机器人
近年来，随着科技的快速发展，已经有很多国家都投入到两轮平衡车的研究中来，并且也取得了很多的成果。其中，国外所取得的研究成果占的比重较大，国内的研究主要还是处于理论阶段，下面介绍一下国内外关于两轮平衡车的研究现状。
1.2.1 国外研究成果
2002年，瑞士的Felix?Grasser?等人成功制造出了两轮移动车JOE?[2]，如图12所示。该车有0.65米的高度?、重量大约有12公斤，最大运动速率可达?1.5m/s，可以爬上倾斜角度为?30?度的陡坡。它用?DSP和FPGA?控制并基于倒立摆理论。该车每一个轮子都安置有一个电机来驱动。为了维持JOE自身车体平衡，该车选用了状态空间控制器，利用该控制器来实时监测并调整车体的重心，保证其平衡。
图12： 机器人JOE
下图13所示是“Segway HT”，2002年，Segway公司研制成功，同时，它也是世界上出现的第一部两轮自平衡电动车，其可以达到20km/h的速度。人们可以驾驶它，在狭小复杂环境中活动，且车子不会前后摆动或者有倾倒的迹象，非常的平稳。Segway HT中包含各种先进传感器，比如加速计传感器等，通过它们可以检测出驾驶者的重心，快速进行评估，并以超高的效率做出调整，不管什么样的环境都可以处在稳定状态。Segway HT没有设计刹车和加速系统，驾驶者可以根据需求，调整自身重心位置，以此来改变两轮平衡车的速度。
图13： Segway HT
下图14所示，为机器人Bender。它是在2004年被美国的Ted Larson等人发明创造。为了使该机器人能够自主移动，他们在机器人上配备了一个摄像头。虽然Bender的重心竖直偏上，但它的平衡本领也很好。
图14： 机器人Bender
下图15所示的是被两个不同的美国学者设计制造的两轮智能平衡车Nbot和Legway [3]。Nbot中安装有惯性传感器，通过该传感器来确定车体的加速度和位置，并且它还安装有电机编码器，利用该编码器检测电机的转速。通过反馈的上述数据来实现Nbot的自平衡。Legway中安装了特殊的传感器，该传感器主要用作测量光电近场，精度高，反应速度快，非常适合平衡车等需要快速反应的装置。
图15： Nbot和Legw
第一章 绪论 1
1.1 两轮平衡车的研究意义 1
1.2 两轮平衡车的发展历史和研究现状 1
1.2.1 国外研究成果 2
1.2.2 国内研究成果 4
1.3 本论文的主要研究内容 5
第二章 平衡车控制系统的建模 7
2.1 电机的选择 7
2.2 有刷直流电机的工作原理 7
2.3 有刷直流电机的数学模型 8
2.3.1 典型的单位反馈系统 8
2.3.2 有刷直流电机的数学模型 9
2.4 本章小结 11
第三章 平衡车控制率的优化 12
3.1 基于人工鱼群的免疫遗传算法的设计 12
3.1.1 免疫遗传算法 12
3.1.2 人工鱼群算法 13
3.1.3 算法执行步骤 14
3.2 算法性能测试比较 14
3.3 PD控
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
2.3.2 有刷直流电机的数学模型 9
2.4 本章小结 11
第三章 平衡车控制率的优化 12
3.1 基于人工鱼群的免疫遗传算法的设计 12
3.1.1 免疫遗传算法 12
3.1.2 人工鱼群算法 13
3.1.3 算法执行步骤 14
3.2 算法性能测试比较 14
3.3 PD控制器设计 16
3.3.1 PD控制系统原理 16
3.3.2 PD控制器各环节的作用 17
3.3.3 位置式数字PD控制器 18
3.4 PD控制器参数的优化 19
3.5 优化结果分析 20
3.6 本章小结 21
第四章 平衡车的控制仿真实验 22
4.1 Simulink简介 22
4.2 Simulink仿真模型搭建 22
4.2.1 有刷直流电机PD参数优化模型 22
4.2.2 Simulink部分功能模块介绍 23
4.2.3 仿真模型 29
4.3 Simulink仿真验证 30
4.3.1 “试凑法”PD参数值仿真 30
4.3.2 基于人工鱼群的免疫遗传算法PD参数值仿真 34
4.4 本章小结 35
结论与展望 36
致 谢 37
参考文献 38
附录A 40
附录B 41
第一章 绪论
1.1 两轮平衡车的研究意义
随着科技及经济的快速发展，人们的生活节奏越来越快，交通拥堵，环境遭到严重污染，两轮自平衡电动车的提出可以有效解决这些问题。两轮自平衡电动车两轮共轴、独立驱动，其质量轻、体积小、运动灵活、便于操作，并且它适应地形变化的能力也很强，可以在空间狭小及地面状态复杂的情况下使用。作为人们短途出行的代步工具，它可以缓解人们出行的劳累，节省人们的出行时间。因此，两轮平衡车的市场应用前景十分广阔。电能作为两轮平衡车的动力来源，易获取，且节约能源，保护环境，契合于当今绿色低碳出行的主题。
两轮平衡车体系可以判断分析周围的环境情况，继而进行行为控制。在运动控制范畴中，控制算法的有效性可以利用两轮平衡车系统去检验，这种方式是相当实用的。两轮平衡车控制操作系统繁琐，涉及大量的复杂控制算法，两轮平衡车所需要的参数复杂，变化无常，所以它是理论研究和实验仿真的理想平台。
1.2 两轮平衡车的发展历史和研究现状
如图11，是日本学者Kazuo Yamafuji成功发明出的一种机器人，它是世界上出现最早可以自主站立的机器人[1]。在当时，控制原理和控制策略发展水平都还很低，所以研制的机器人只可沿着事先设置好的轨道行驶，从而没法完成转弯等复杂活动。
图11： 自主站立的移动机器人
近年来，随着科技的快速发展，已经有很多国家都投入到两轮平衡车的研究中来，并且也取得了很多的成果。其中，国外所取得的研究成果占的比重较大，国内的研究主要还是处于理论阶段，下面介绍一下国内外关于两轮平衡车的研究现状。
1.2.1 国外研究成果
2002年，瑞士的Felix?Grasser?等人成功制造出了两轮移动车JOE?[2]，如图12所示。该车有0.65米的高度?、重量大约有12公斤，最大运动速率可达?1.5m/s，可以爬上倾斜角度为?30?度的陡坡。它用?DSP和FPGA?控制并基于倒立摆理论。该车每一个轮子都安置有一个电机来驱动。为了维持JOE自身车体平衡，该车选用了状态空间控制器，利用该控制器来实时监测并调整车体的重心，保证其平衡。
图12： 机器人JOE
下图13所示是“Segway HT”，2002年，Segway公司研制成功，同时，它也是世界上出现的第一部两轮自平衡电动车，其可以达到20km/h的速度。人们可以驾驶它，在狭小复杂环境中活动，且车子不会前后摆动或者有倾倒的迹象，非常的平稳。Segway HT中包含各种先进传感器，比如加速计传感器等，通过它们可以检测出驾驶者的重心，快速进行评估，并以超高的效率做出调整，不管什么样的环境都可以处在稳定状态。Segway HT没有设计刹车和加速系统，驾驶者可以根据需求，调整自身重心位置，以此来改变两轮平衡车的速度。
图13： Segway HT
下图14所示，为机器人Bender。它是在2004年被美国的Ted Larson等人发明创造。为了使该机器人能够自主移动，他们在机器人上配备了一个摄像头。虽然Bender的重心竖直偏上，但它的平衡本领也很好。
图14： 机器人Bender
下图15所示的是被两个不同的美国学者设计制造的两轮智能平衡车Nbot和Legway [3]。Nbot中安装有惯性传感器，通过该传感器来确定车体的加速度和位置，并且它还安装有电机编码器，利用该编码器检测电机的转速。通过反馈的上述数据来实现Nbot的自平衡。Legway中安装了特殊的传感器，该传感器主要用作测量光电近场，精度高，反应速度快，非常适合平衡车等需要快速反应的装置。
图15： Nbot和Legw
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/jdgc/1298.html
