一种智能小车控制系统设计designofintelligentvehiclecontrolsystem(附件)【字数:1

摘 要摘 要随着中国在自动控制技术方面的飞速发展,自动化技术已经普及并应用到全国的各个领域和行业。智能小车也是自动控制技术的重要发展成果之一。在日益严重的大气污染、能源短缺、交通堵塞的环境问题上,人们越来越需要轻巧的、小型的、节能的代步工具。因此,两轮平衡小车的研究越来越成为人们关注的话题。本文主要介绍的是以STM32为开发平台的两轮平衡小车,并成功研制出了一台小车模型。论文首先研究了小车系统的总体设计方案和基本工作原理,对关键设备进行了选型,确定主要硬件型号。然后深入研究了两轮平衡小车的软件系统的控制流程,采用了直流电机速度位置双闭环控制来实现小车的正常运行。接着在调试过程中分别对小车系统虚拟分解出的三个环节(直立环、速度环、转向环)分别进行了参数的整定和实际状态的测试,效果良好。最后对两轮平衡小车样机进行了调试,并进行了无障碍物和有障碍物的运行试验。实验结果表明,两轮平衡小车操作稳定,能够实现基本的运行功能,达到预期要求。关键词两轮自平衡小车;STM32单片机;平衡控制;PID控制
目录
第一章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.2.1国外研究现状 2
1.2.2国内研究现状 3
1.3两轮平衡小车的研究现状分析 4
第二章 两轮自平衡小车的基本原理与硬件设计 5
2.1两轮平衡小车平衡的基本原理 5
2.2两轮平衡小车设备的选型 6
2.2.1主板的解析 6
2.2.2锂电池及充电方式 8
2.2.3电机简介 8
2.2.4 OLED显示屏 8
2.3本章小结 9
第三章 两轮平衡小车平衡控制系统设计 10
3.1两轮平衡小车的总体控制流程 10
3.2 MPU6050模块姿态信息采集 10
3.3直流电机速度位置双闭环控制 11
3.3.1 PID控制器 11
3.3.2 速度闭环控制 11
3.3.3位置闭环控制 12
3.3.4速度位置双环控制 13
3.4本章小结 14
第四章 两 style="display:inline-block;width:630px;height:85px" data-ad-client="ca-pub-6529562764548102" data-ad-slot="6284556726"> (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({ });

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轮平衡小车参数调试及测试 15
4.1平衡小车直立控制调试 15
4.1.1直立控制简介 15
4.1.2确定平衡小车的机械中值 15
4.1.3确定kp值的极性(令kd=0) 16
4.1.4确定kp的大小(令kd=0) 16
4.1.5确定kd的极性(令kp=0) 16
4.1.6确定 kd 值的大小(令 kp=500) 16
4.2平衡小车的速度控制调试 17
4.2.1速度控制简介 17
4.2.2计算速度偏差 18
4.2.3确定 kp 与 ki 值的极性 18
4.2.4确定 kp 与 ki 的大小 19
4.3平衡小车转向控制调试 21
4.3.1转向控制简介 21
4.3.2确定kp极性 23
4.3.3确定 kp 的大小 23
4.4本章总结 25
第五章 小车实际状态运行测试 26
5.1平稳运行状态下时间、倾角与速度的关系 26
5.1.1平稳运行时的检测过程 26
5.1.2小车状态波形分析 26
5.2障碍物运行状态下时间、倾角与速度的关系 28
5.2.1障碍物运行时的检测过程 28
5.2.2小车状态波形分析 29
5.3本章小结 31
结论 32
参考文献 33
致谢 34
附录 35
第一章 绪论
1.1研究背景及意义
电动车作为中国今年发展迅速的交通工具,不仅仅符合现代社会发展的潮流,响应“节约资源保护环境”的号召,也与中国“科学发展观”的理念相呼应。在过去的一段时间中,中国电动车从无到有,从弱到强,无不体现着中国经济的快速发展。在这段时间里,中国的电动车从每年只有几十万的销量,到现在的每年的2000多万的销量,而且仍然在持续递增着。在中国十八大之后提出新能源的研究报告,为电动车行业指明了前进的方向,电动车又迎来了一个春天[1]。
两轮平衡小车是移动机器人在现实生活中的实际应用。移动机器人的研究涉及到的领域有计算机技术、软件技术、微电子技术,涉及到的学科有自动控制原理、现代控制理论、C语言,电路等。由于涉及较广,研究难度大,但是技术含量高,对人才的需求量大,所以可以说机器人的发展可以代表一个国家的综合国力。
两轮平衡小车也是轮式移动机器人的一种,能够根据小车本体倾斜的角度而使电机的加速度做出相应的调整从而保证小车的平衡。两轮小车的模型来自于倒立摆,具有倒立摆的不确定性,非线性和强耦合的特点。所以两轮自平衡小车对于检验各种控制算法具有重要的意义。
在汽车等各种机动车盛行的当下,机动车工业带来了严重的环境污染问题,交通问题和能源问题,如图11所示:
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图11 汽车发展所带来的问题
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
两轮平衡小车自开始研制以来,迅速成为研究与检验各种自动控制理论的理想平台,具有非常重要的理论意义,这要归咎于它的不稳定的动态性能和非线性。
最早提出两轮平衡机器人概念的是日本电通大学山藤高桥教授,并在1986年开始研发制造了一个导轨上的俩轮倒立摆机器人。它的基本概念就是用数字处理器来检测小车的平衡状态,然后凭借平衡的双轮来使机器保持稳定。这一项目的研制对往后两轮平衡机器人的研究具有重大的意义。
瑞士联邦工业大学工业的Felix Grasser等人利用DSP控制平台,在2002年研发出了远程控制两轮移动机器人Joe。操作者可以通过无线装置远程控制Joe的运动速度和方向,能在各种条件下运行并且保持平衡。
美国SegwayLLC公司研制的两轮移动机器人,不仅能使操作员员在水平站立的情况下保持平稳的前进,而且能在操作员身体倾斜时保持平衡,可以在各种环境下使用[2]。其外观如图12所示:
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图12 Segway 两轮平衡小车 图13 Legway自平衡机器人
其工作原理是建立在一种“动态稳定”基本原理上,即小车本身的自平衡能力。当小车倾斜时,系统通过陀螺仪、倾角传感器等来检测车体的重心并维持平衡或前进。这里还要指出的是Segway的踏板在电机轴之下,具有自我平衡的能力。它的动态特性类似于荡秋千运动,总是自然的在平衡位置摆动。本文所设计
的两轮平衡小车,具有本质不稳定性,从这个来说,两轮平衡小车的平衡控制的实现更为复杂。
2002年,美国的Lego公司的Steve Hassenplug设计了两轮自平衡机器人Legway。这个机器人不仅能够轻松的实现原地平衡站立、前进等基本动作,而且在有倾角的斜面上保持平衡、上坡等复杂动作。遗憾的是Steve在编写控制程序时一直未能成功。外观如图13所示:

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