载人双轮自平衡车的分析与设计

摘要

载人双轮自平衡车是近年机器人科学中热点研究的技术之一，鉴于其构造相对简单、行动自如，能自由穿梭于各种环境及空间，因此在多个领域有着广泛的应用，尤其作为个人代步工具，具有较大潜力。本文在对现有自平衡车技术总结分析的基础上，针对其稳定性不足、安全系数不高等缺点，从机械结构、控制电路和程序算法三个方面进行改进设计，最终完成了一种新型的载人双轮自平衡车的开发。本文的主要研究内容如下:
　　首先，设计了载人双轮自平衡车的功能和结构。基于有限元分析技术，对控制盒进行了优化设计和分析。
　　其次，以模块化形式设计了控制电路部分。主控部分以AVR单片机ATMega16为核心，详细分析了陀螺仪电路、加速度传感器电路和电机驱动电路的设计与实现。
　　然后，根据动态平衡原理，采用控制系统软件，对系统的稳定性进行了分析。软件设计使用模块化设计思想，将AD采样和转换、PWM控制等封装成模块，在主流程中采用定时中断调用的方法提高控制的实时性。
　　最后，对所设计的载人双轮自平衡车进行多方面实验，从实验结果可以看出，该系统相对其它现有系统具有较好的稳定性和安全性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景与研究意义

1．2 载人双轮自平衡车研究综述

1．2．1 国外研究综述

1．2．2 国内研究综述

1．2．3 研究现状总结

1．3 本论文的主要研究内容

第2章 载人双轮自平衡车的总体方案设计

2．1 载人双轮自平衡车的自平衡原理

2．1．1 自平衡原理

2．1．2 建模符号说明

2．1．3 速度和动能计算

2．1．4 状态方程建立

2．2 载人双轮自平衡车总体方案设计

2．2．1 机械结构方案设计

2．2．2 控制电路方案设计

2．2．3 控制软件设计

2．3 本章小结

第3章 载人双轮自平衡车机械结构方案设计

3．1 机械结构整体设计

3．2 部件材料选择

3．3 控制盒的有限元分析

3．4 本章小结

第4章 载人双轮自平衡车控制电路方案设计

4．1 硬件电路基本原理

4．2 主控芯片的选择

4．3 姿态传感器单元

4．3．1 加速度传感器

4．3．2 角速度传感器

4．4 电机驱动单元

4．5 硬件电路模块封装

4．5．1 电源模块

4．5．2 控制盒模块

4．6 本章小结

第5章 载人双轮自平衡车控制软件设计

5．1 主程序与初始化

5．2 控制模块

5．2．1 改进的控制模块概述

5．2．2 传感器数据处理

5．2．3 改进的传感器数据融合算法

5．2．4 PWM值的计算与输出

5．2．5 改进的两闭环PID控制算法

5．3 本章小结

第6章 载人双轮自平衡车的试制与实验研究

6．1 真实制作效果

6．2 系统软件开发环境

6．3 系统功能实验

6．3．1 传感器数据融合实验

6．3．2 PID控制参数调节实验

6．4 真机载人实验

6．5 本章小结

结论

1．总结

2．展望

参考文献

致谢