直立式前后双轮自平衡运动小车
近年来，市场上的独轮或者并排双轮的代步车得到了消费者的极大欢迎和喜爱，其简便的携带和使用方式是其受到欢迎的主要原因。这种代步车可以自行根据人重心的变化调节速度和前进方向，但是这种代步车是前后方向的稳定调节，而左右方向的调节是依靠人自身平衡的调节。左右方向的平衡控制比较难以实现的是自行车的左右平衡，因其结构之间具有一定的耦合性，系统非线性，系统特征比较复杂，控制学动力学方面研究相对欠缺。文章主要是基于MSP430控制器及MPU6050传感器等各个子系统部分设计一种自行车控制系统。文章首先是在力学上分析自行车简化模型，然后利用动力学知识对这种自行车进行建模分析，分析实现左右平衡的条件，及建立这种小车的数学控制模型，根据理论模型搭建了实物模型。接着文章介绍控制系统的各个子系统，如传感器子系统，无线数据传输子系统，驱动子系统等，其中着重介绍传感器子系统部分的工作原理。文章进一步介绍各子系统的工作流程，文章在算法方面进行研究，提出利用PID算法，通过电机控制速度和前轮转向实现小车平衡的方案。文章还提出一种类似自行车系统研究模型，及一种利用数值分析建模的方法。
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 自平衡前后轮小车研究背景及意义 1
1.1.1 自平衡前后轮小车研究背景 1
1.1.2 自平衡前后轮小车的研究意义 1
1.2 自平衡前后轮小车的研究现状 2
1.2.1 自平衡前后轮小车左右平衡的影响因素 2
1.2.2 增加机械平衡装置小车平衡的实现 3
1.2.3 不添加机械平衡装置小车平衡的实现 4
1.3 自平衡前后轮小车平衡研究所要掌握的知识及未来的研究方向 4
1.3.1 研究所要掌握的知识 4
1.3.2 未来研究研究方向 5
第2章 自平衡前后轮小车模型分析与建立 6
2.1 自平衡自行车物理简单力学模型的分析 6
2.2 自平衡自行车物理动力学模型的分析 9
2.3 自平衡自行车的相似研究模型的提出 11
2.3.1 一种固定于旋转圆盘且位置可调节的直杆模型的提出 11
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
/> 2.4 一种利用数值分析方法建立自行车模型方法的提出 13
第3章 自平衡前后轮小车模型搭建设计 15
3.1 自平衡小车系统模型整体框架及各个模块作用 15
3.2 自平衡小车模型各模块器件的选型及各模块详细功能实现 17
3.2.1 控制系统子系统各模块功能的硬件实现 17
3.2.2 控制系统子系统各模块功能的软件实现 22
第4章 自平衡前后轮小车的平衡控制方法 27
4.1 系统控制程序架构设计 27
4.2 PID控制算法原理及系统PID控制设计 28
4.2.1 控制理论简单介绍 28
4.2.2 PID控制算法原理 28
4.2.3 自平衡小车的PID控制算法设计 30
第五章 总结与展望 32
5.1 总结 32
5.2 展望 32
参考文献 33
致谢 34
附录 35
附录一 程序 35
附录二 英文翻译 43
第1章 绪论
1.1 自平衡前后轮小车研究背景及意义
1.1.1 自平衡前后轮小车研究背景
现如今，智能控制机器人是当今社会科学研究的一个大方向，未来智能控制机器人可以代替人类做很多工作，美国等欧美发达国家先后研发了很多智能机器人，或用于生活方面，或用于军事方面，而我国的智能控制研究比国外发达国家落后很多。近年来流行的独轮或双轮代步车，因其方便携带，控制简单，可以根据骑行者的重心的变化来控制速度和方向，深受消费者的喜爱。而国外也早就将研究的目光放在类似自行车的平衡控制上面，因为毕竟独轮等代步车是依靠人来实现速度和方向的改变，并不是完全意义上的智能控制。而可以实现自动平衡的自行车就是完全意义上的智能控制，尽管其不用考虑前后方向的平衡，但是其左右方向的平衡却是极难实现的难题。由于自行车机器人在控制方面和动力学分析方面具有独特的方面，最近几年引起了越来越多的研究者的注意。目前，很多国家都在进行自行车机器人的研究并且也取得了许多成果。国外对自行车的运动控制理论研究已有很久的历史，但是直到现在，自行车运动的动力学原理并未完全被解释清楚。
1.1.2 自平衡前后轮小车的研究意义
自行车机器人是近年来被提出的一种全新的环保型、智能化的自动驾驶交通工具，由于其体积小、结构简单、运动灵活等特点而受到广泛的关注。目前，关于为了避免疲劳驾驶的基于GPS导航系统的自动驾驶汽车已经被研发成功，但是能够自动驾驶的自行车系统却还没有被研发出来[14]，百度的DUBIKE也仅仅实现了一小段距离的自主行驶。由于自行车是前后两轮的行驶系统，所以和汽车的控制相比，差别还是很大。其在生活等各方面具有很大的应用前景，如可以自动识别路径，自动驾驶，实现无人驾驶快递送货，实现道路安全巡检，还可以实现灾区伤员的转移，战区武器的运送等功能，还可以在实现现代智慧城市的功能方面能够起到很大的作用。
1.2 自平衡前后轮小车的研究现状
早期对自行车机器人做出研究工作是Whipple和Ucarvallo。Whipple很好地利用经典力学对自行车运动作出了初步分析，然后F．Klein和MeTenuuu等人建立了精确但很复杂的的动力学模型，但是，他们几乎所有的研究都忽略了人的主观意志作用，都将驾车人作为固定于车座上的刚体，因此这些研究所得到的结论与实际情况相差很大，而且都没有对控制方法进行阐述。N．H．Getz将自行车看作是非完整的且具有对称性特征和欠驱动性质的典型系统，他充分利用自行车约束的对称性，推导出自行车的缩减运动学方程，对自行车跟踪任意的车体横滚角轨迹的跟踪控制策略进行了重点研究，认为这样就可以保证自行车无论是接近倒地还是一般干扰的情况下都能保持稳定。Getz并没有设计其他的机械调节器，而是仅仅通过控制自行车的后轮的驱动和车把的偏转来实现跟踪控制的。Y Tanaka和T．Murakami及Umashankar为了保持车体倾斜的稳定性，则是利用模糊逻辑等方法设计了自行车的控制器，他们与Get一样，也没有设计另外的机械调节器。而在我们国内在这一领域起步却较晚，上海交通大学的刘延柱教授是最早对自行车动力学有较深研究的人，他在1995年提出要考虑人的控制因素对自行车动力学的影响，并提出仅仅依靠车把的转动就可以实现对自行车的稳定控制，同时也获得了稳定性的条件。2005年北京邮电大学的廖启征、郭磊、魏世民老师团队根据刘延柱教授提出的依靠车把控制自行车的方法，分别以速率陀螺和电位计检测出自行车的左右倾斜角度，然后通过电机控制车把的转向实现了对自行车的左右平衡的控制。另外，在2008年河南科技大学的刘延斌、张宏敏、王秀全提出了一种基于8RHR型冗余驱动并联机构保持自行车机器人左右方向的稳定的调节方法[13]。
1.2.1 自平衡前后轮小车左右平衡的影响因素
骑过自行车的人都知道，当人在骑自行车的时候，是依靠自己的身体因素来调节自行车的平衡的，如在自行车向一边倾斜的时候，骑车人依靠身体向反方向倾斜，这时自行车可以保持不倒，甚至在杂技演员表演的时候，可以在自行车相对地面静止的时候保持车子平衡不倒地。当车以一定的速度行驶的时候，车子受外部因素的影响向一边倾斜，如果想保持人与车子不摔倒，还可以依靠人使自行车的车把转过一定的角度，使自行车进行转弯运动，这样自行车会恢复直立状态，进而保持人车系统的平衡。从以上分析中，可以发现，影响自行车平衡的几个因素是自行车的速度，自行车车把的转角以及车身倾斜的角度。
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 自平衡前后轮小车研究背景及意义 1
1.1.1 自平衡前后轮小车研究背景 1
1.1.2 自平衡前后轮小车的研究意义 1
1.2 自平衡前后轮小车的研究现状 2
1.2.1 自平衡前后轮小车左右平衡的影响因素 2
1.2.2 增加机械平衡装置小车平衡的实现 3
1.2.3 不添加机械平衡装置小车平衡的实现 4
1.3 自平衡前后轮小车平衡研究所要掌握的知识及未来的研究方向 4
1.3.1 研究所要掌握的知识 4
1.3.2 未来研究研究方向 5
第2章 自平衡前后轮小车模型分析与建立 6
2.1 自平衡自行车物理简单力学模型的分析 6
2.2 自平衡自行车物理动力学模型的分析 9
2.3 自平衡自行车的相似研究模型的提出 11
2.3.1 一种固定于旋转圆盘且位置可调节的直杆模型的提出 11
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
/> 2.4 一种利用数值分析方法建立自行车模型方法的提出 13
第3章 自平衡前后轮小车模型搭建设计 15
3.1 自平衡小车系统模型整体框架及各个模块作用 15
3.2 自平衡小车模型各模块器件的选型及各模块详细功能实现 17
3.2.1 控制系统子系统各模块功能的硬件实现 17
3.2.2 控制系统子系统各模块功能的软件实现 22
第4章 自平衡前后轮小车的平衡控制方法 27
4.1 系统控制程序架构设计 27
4.2 PID控制算法原理及系统PID控制设计 28
4.2.1 控制理论简单介绍 28
4.2.2 PID控制算法原理 28
4.2.3 自平衡小车的PID控制算法设计 30
第五章 总结与展望 32
5.1 总结 32
5.2 展望 32
参考文献 33
致谢 34
附录 35
附录一 程序 35
附录二 英文翻译 43
第1章 绪论
1.1 自平衡前后轮小车研究背景及意义
1.1.1 自平衡前后轮小车研究背景
现如今，智能控制机器人是当今社会科学研究的一个大方向，未来智能控制机器人可以代替人类做很多工作，美国等欧美发达国家先后研发了很多智能机器人，或用于生活方面，或用于军事方面，而我国的智能控制研究比国外发达国家落后很多。近年来流行的独轮或双轮代步车，因其方便携带，控制简单，可以根据骑行者的重心的变化来控制速度和方向，深受消费者的喜爱。而国外也早就将研究的目光放在类似自行车的平衡控制上面，因为毕竟独轮等代步车是依靠人来实现速度和方向的改变，并不是完全意义上的智能控制。而可以实现自动平衡的自行车就是完全意义上的智能控制，尽管其不用考虑前后方向的平衡，但是其左右方向的平衡却是极难实现的难题。由于自行车机器人在控制方面和动力学分析方面具有独特的方面，最近几年引起了越来越多的研究者的注意。目前，很多国家都在进行自行车机器人的研究并且也取得了许多成果。国外对自行车的运动控制理论研究已有很久的历史，但是直到现在，自行车运动的动力学原理并未完全被解释清楚。
1.1.2 自平衡前后轮小车的研究意义
自行车机器人是近年来被提出的一种全新的环保型、智能化的自动驾驶交通工具，由于其体积小、结构简单、运动灵活等特点而受到广泛的关注。目前，关于为了避免疲劳驾驶的基于GPS导航系统的自动驾驶汽车已经被研发成功，但是能够自动驾驶的自行车系统却还没有被研发出来[14]，百度的DUBIKE也仅仅实现了一小段距离的自主行驶。由于自行车是前后两轮的行驶系统，所以和汽车的控制相比，差别还是很大。其在生活等各方面具有很大的应用前景，如可以自动识别路径，自动驾驶，实现无人驾驶快递送货，实现道路安全巡检，还可以实现灾区伤员的转移，战区武器的运送等功能，还可以在实现现代智慧城市的功能方面能够起到很大的作用。
1.2 自平衡前后轮小车的研究现状
早期对自行车机器人做出研究工作是Whipple和Ucarvallo。Whipple很好地利用经典力学对自行车运动作出了初步分析，然后F．Klein和MeTenuuu等人建立了精确但很复杂的的动力学模型，但是，他们几乎所有的研究都忽略了人的主观意志作用，都将驾车人作为固定于车座上的刚体，因此这些研究所得到的结论与实际情况相差很大，而且都没有对控制方法进行阐述。N．H．Getz将自行车看作是非完整的且具有对称性特征和欠驱动性质的典型系统，他充分利用自行车约束的对称性，推导出自行车的缩减运动学方程，对自行车跟踪任意的车体横滚角轨迹的跟踪控制策略进行了重点研究，认为这样就可以保证自行车无论是接近倒地还是一般干扰的情况下都能保持稳定。Getz并没有设计其他的机械调节器，而是仅仅通过控制自行车的后轮的驱动和车把的偏转来实现跟踪控制的。Y Tanaka和T．Murakami及Umashankar为了保持车体倾斜的稳定性，则是利用模糊逻辑等方法设计了自行车的控制器，他们与Get一样，也没有设计另外的机械调节器。而在我们国内在这一领域起步却较晚，上海交通大学的刘延柱教授是最早对自行车动力学有较深研究的人，他在1995年提出要考虑人的控制因素对自行车动力学的影响，并提出仅仅依靠车把的转动就可以实现对自行车的稳定控制，同时也获得了稳定性的条件。2005年北京邮电大学的廖启征、郭磊、魏世民老师团队根据刘延柱教授提出的依靠车把控制自行车的方法，分别以速率陀螺和电位计检测出自行车的左右倾斜角度，然后通过电机控制车把的转向实现了对自行车的左右平衡的控制。另外，在2008年河南科技大学的刘延斌、张宏敏、王秀全提出了一种基于8RHR型冗余驱动并联机构保持自行车机器人左右方向的稳定的调节方法[13]。
1.2.1 自平衡前后轮小车左右平衡的影响因素
骑过自行车的人都知道，当人在骑自行车的时候，是依靠自己的身体因素来调节自行车的平衡的，如在自行车向一边倾斜的时候，骑车人依靠身体向反方向倾斜，这时自行车可以保持不倒，甚至在杂技演员表演的时候，可以在自行车相对地面静止的时候保持车子平衡不倒地。当车以一定的速度行驶的时候，车子受外部因素的影响向一边倾斜，如果想保持人与车子不摔倒，还可以依靠人使自行车的车把转过一定的角度，使自行车进行转弯运动，这样自行车会恢复直立状态，进而保持人车系统的平衡。从以上分析中，可以发现，影响自行车平衡的几个因素是自行车的速度，自行车车把的转角以及车身倾斜的角度。
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