两轮自平衡小车系统.doc

两轮自平衡小车系统

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硕士学位论文
两轮自平衡小车系统
Two-WheelVehicle
Self-balancing System
作者:李凡红
导师:董春
北京交通大学
2010年6月
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中图分类号:TPl3
学校代码:10004
UDC:621
密级:公开
北京交通大学
硕士学位论文
两轮自平衡小车系统
Two―WheelVehicle
Self-balancing System
作者姓名:李凡红学号:08121968
导师姓名:董春职
称:副教授
学位类别:工科学位级别:硕士
学科专业:电气工程
研究方向:电力电子与电力传动
北京交通大学
2010年6月
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致谢
本论文是在导师董春老师的悉心指导下完成的。在研一的学、治学态度、创新性的思维给我留下了深刻的印象。他那
渊博的知识和孜孜不倦的工作热情始终体现在每一天、每一个项目中,伴随着我
前行的步伐,我感觉每天都在进步,每天都能学到知识,并且还能学到一些课本
以外的知识,这些都使我受益匪浅。
研二阶段,董春老师带我在多个大赛和会议上参观学习,以便我能更好的把
理论结合到实际中去。学习上,董老师为我选定了论文的方向,时刻关注我论文
的进展情况,对我学习中遇到的困难进行指导和帮助。生活上,为我提供了丰厚
的条件。董春老师严谨的科研、朴实的为人、勤奋的工作态度给我留下了深刻的
印象。还需要提到的是导师对我的关心和爱护,他时刻关心我们的学习和生活,
教导我们做人的原则,教给我们做事的本领,再次,我向导师董春老师表示深深
’
的谢意!
在论文撰写期间,张思博、袁帅、石岫、梁丽娟和谢力等同学对我论文中的
部分研究工作给予了热情帮助,在此向他们表达我的感激之情。
特别感谢我的父母他们多年来对我辛苦的抚养和无私的爱,他们的爱护和支
持,为我提供了克服一切困难、向前迈进的动力。感谢我的女朋友庄秋月,感谢
.
她的理解和支持,让我能够专心完成我的学业。
最后衷心感谢评审论文的各位专家老师!
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中文摘要
中文摘要
摘要:本质不稳定两轮小车是一种特殊轮式移动机器人,其动力学系统具有
多变量、非线性、强耦合、参数不确定性等特性,是研究各种控制方法的一个理想
平台。其体积小、结构简单、运动灵活,适于在狭小和危险的空间内工作,在民
用和军事上有着广泛的应用前景;本课题旨在研制一种两轮自平衡小车。该系统
是一种两轮左右平行布置的,像传统的倒立摆一样,本身是一个自然不稳定体,必须
施加强有力的控制手段才能使之稳定。其工作原理是系统以姿态传感器陀螺仪、
加速度计来监测车身所处的俯仰状态和状态变化率,通过高速中央处理器计算
出适当数据和指令后,驱动电动机产生前进或后退的加速度来达到车体前后平衡
。
的效果。
本文在总结和归纳衡小车的研究现状后,在缺少所需的成形
的实验对象的情况下,选用适当的控制器、执行电机和传感器,设计出两轮自平
衡小车的驱动电路,实现了两轮小车的硬件控制系统。
陀螺仪存在漂移的问题及加速度计的动态响应慢,对于系统的姿态检测而言,
单独使用陀螺仪或者加速度计,都不能提供有效和可靠的信息来反映车体的实时
状态。本文对传感器两者所采集的数据进行了优化处理,补偿陀螺仪的漂移误差
和加速度计的动态误差,得到一个更优的倾角近似值。
由于实际的小车本体未加工完成,不能在此基础上进行其控制算法的研究。
为了提前研究其控制策略同时缩短设计周期,本文选用LEGO机器人为试验平台,