独轮自平衡车控制系统的开发

摘要

在城市空气污染和交通拥堵问题日益严重的今天，独轮自平衡车因其体积小、携带方便、运动灵活等优点，越来越受到年轻人士的欢迎。作为一种新型、绿色环保的代步工具，独轮自平衡车系统具有典型的高阶、非线性、欠驱动、静不稳定等特性，对其进行建模和姿态平衡控制的研究已成为目前机器人研究领域的热点之一。
　　本文在阅读大量国内外相关文献的基础上，就独轮自平衡车系统的动力学建模、姿态检测方法、姿态控制策略、电机控制策略等问题进行了分析研究，具体如下:
　　首先，通过对独轮自平衡车系统工作原理的分析，建立了系统各个部分的动力学方程，进而推导得到整个系统的动力学方程，并对系统的稳定性、可控性、可观性等性能进行了分析，为提出独轮自平衡车的姿态控制策略提供了理论参考。
　　其次，在分析常用惯性测量元件原理的基础上，结合独轮自平衡车系统的实际需求，提出了采用加速度计和陀螺仪来获取车体姿态信息的方案。为了得到准确的车体姿态信息，对传感器信号的滤波和姿态解算方法也进行了研究。
　　再次，考虑到独轮自平衡车对姿态控制性能和能量消耗的要求，本文设计了一个基于线性二次型调节器(LQR)的独轮自平衡车姿态控制器，并进行了仿真验证。结合独轮自平衡车姿态控制策略和永磁同步电机矢量控制方法，建立了一个包括姿态环、速度环和电流环的多环独轮自平衡车控制系统，以实现独轮自平衡车的姿态平衡控制。
　　最后，搭建了独轮自平衡车控制系统实验平台，对独轮自平衡车姿态检测方法、姿态控制策略、电机控制策略等进行了实验验证。结合当前智能硬件的发展的趋势，设计了独轮自平衡车上位机软件和移动客户端，提高了独轮自平衡车系统的智能化程度。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 研究现状与分析

1．2．1 独轮自平衡机器人平衡原理

1．2．2 典型的独轮自平衡机器人介绍

1．2．3 独轮自平衡车重点研究问题

1．3 本文的研究内容

第2章 独轮自平衡车系统建模与分析

2．1 独轮自平衡车建模

2．1．1 一般假设条件与坐标定义

2．1．2 系统动力学建模及模型验证

2．2 独轮自平衡车系统特性分析

2．2．1 系统模型线性化

2．2．2 系统控制特性分析

2．3 本章小结

第3章 基于LQR的独轮自平衡车控制系统

3．1 独轮自平衡车的姿态解算

3．1．1 传感器选取与数据融合

3．1．2 卡尔曼滤波融合过程分析

3．1．3 基于四元数的姿态结算方法

3．2 LQR控制策略

3．2．1 LQR控制理论分析

3．2．2 基于LQR的姿态控制器设计

3．2．3 基于LQR姿态控制器控制效果分析

3．3 电机控制策略分析

3．3．1 电机控制策略对比

3．3．2 永磁同步电机矢量控制方法

3．4 独轮自平衡车控制系统分析

3．5 本章小结

第4章 独轮自平衡车控制系统的实现

4．1 独轮自平衡车控制系统硬件实现

4．1．1 系统总体结构

4．1．2 电源管理系统

4．1．3 传感器系统

4．1．4 控制器系统

4．1．5 电机驱动和功率电路

4．1．6 通讯系统

4．2 独轮自平衡车控制系统软件实现

4．2．1 底层控制软件

4．2．2 上位机软件

4．2．3 移动客户端软件

4．3 实验结果分析

4．3．1 姿态检测实验

4．3．2 电机控制实验

4．3．3 姿态平衡控制实验

4．3．4 抗冲击干扰实验

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 本文的主要工作

5．2 后续工作展望

参考文献

攻读硕士期间科研成果