双轮平衡智能车跟随设计的研究与实现

摘要

两轮自平衡跟随车可看作是一种两轮左右平行布局结构的智能机器人系统，突破了传统车的概念，它同时也是集姿态检测与采集、特征目标识别与定位、行为状态控制与执行的一套完整的系统，具有灵活性好、自平衡、特定跟随等创新特点。双轮载人平衡车作为新时代科技创新的开拓者之一，已经开始从载人自平衡电动车领域向外扩展。随着服务型智能化的发展趋势以及为满足人们日益增长的产品需求，其开发拓展的应用逐渐增多，并逐渐出现在消费市场。 在此前提下，以本实验室成熟的载人平衡电动车关键技术研究为基础，在自平衡载人电动车的基础上研究创新，开发了一种单目视觉跟随特殊目标二维码的跟随系统。本论文主要做了如下的学习和研究工作： 1.建立了一个较为完整的双轮自平衡机器人数学模型，分析了双轮自平衡与跟随动态平衡的可行性，验证了双轮自平衡状态下加入控制的必然性，同时通过加入设置的控制量得到了跟随控制理论上的仿真结果，通过此结果指导了软件控制部分的算法设计工作及算法内部的参数整定。 2.分析了诸多文献中的跟随技术及精度，选取了一种单目视觉跟随目标码的双轮自平衡机器人跟随方案，即选取了一种以STM32F7高性能控制器的单目视觉模块，搭建了一套较为既完整又合适的双轮自平衡硬件设备，并确定了三环伺服PID算法的软件控制方案。 3.研究了一套通过判决法、门限法和滑窗法组合确定为跟随有效目标的视觉目标采集后的预处理算法，同时针对丢失目标后的状况，通过采用五阶的最小二乘法曲线拟合算法对历史36组坐标数据分析预测，建立了一套在跟随过程中目标丢失后的预测及重拾策略。 4.为移植跟随功能于载人平衡车上，优化了载人平衡车的硬件系统，并通过研究解决了移植过程中电机控制问题，基本实现了载人平衡车的跟随效果。然后分别对双轮平衡跟随小车和载人跟随平衡车两个系统平台，从自平衡稳定性、跟随抗干扰性、跟随稳定性以及丢失后重拾策略的效果进行了测试。 5.最后通过分析测试结果和对本论文系统的总结，提出了自己工作的不足之处与期望研究改进的方向，至此完成了整个论文的撰写工作。

目录

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2载人自平衡车国内外发展现状

1.2.1 国外研究发展现状

1.2.2 国内研究发展现状

1.3国内外文献分析

1.4 本章小结

1.5 论文主要研究的内容及章节组织结构

第2章 双轮自平衡跟随小车初步探究

2.1 双轮自平衡小车跟随方案的选定

2.1.1 可选方案简介

2.1.2 相关文献资料对比分析

2.2 双轮自平衡跟随小车基本原理

2.3 自平衡基本原理---倒立摆物理模型

2.4 车体模型受力分析

2.4.1 车轮模型

2.4.2 车身模型

2.4.3 机器人模型

2.5 本章小结

第3章 双轮自平衡跟随小车硬件框架的搭建

3.1系统硬件框架设计的总体框图

3.2系统硬件模块电路的设计

3.2.1 车体框架的选取

3.2.2 主控芯片的选取

3.2.3 姿态采集模块的选取

3.2.4 视觉处理模块的选取

3.2.5 电源及电机驱动的选取

3.2.6 反馈模块的选取

3.2.7 主要硬件对比

3.3本章小结

第4章 系统软件方案设计

4.1系统软件总控制流程图

4.2 车体姿态测算

4.3 目标采集及预处理算法设计

4.3.1 AprilTag视觉基准系统

4.3.2 目标预处理——跟踪与选择

4.4 被跟随目标预测及丢失寻找策略

4.4.1 被跟随目标位置预测

4.4.2 超出视野范围的目标重拾策略

4.5 伺服控制PID算法设计

4.5.1 PID控制算法介绍

4.5.2 三环伺服PID自平衡跟随算法

4.6 本章小结

第5章 优化载人平衡车硬件系统及移植研究

5.1 硬件系统优化

5.1.1 板图优化

5.1.2 电源稳压模块优化

5.1.3 双H桥驱动电路优化

5.2 跟随系统移植分析研究

5.2.1 电机驱动PWM频率的影响

5.2.2 PID控制环内参数的调整

5.3 本章小结

第6章 双轮自平衡跟随车的整体测试

6.1 自平衡跟随小车自平衡性能测试

6.2 自平衡跟随小车目标跟随性能测试

6.3 移植后A版载人车自平衡性能测试

6.4 移植后A版载人车目标跟随性能测试

6.5 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 本文总结

7.2 不足与展望

参考文献

附件

攻读硕士学位期间的研究成果

致谢

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