一种自平衡双轮移动机器人控制系统的设计与实现

摘要

双轮自平衡移动机器人的概念是20世纪90年代提出来的，属于轮式机器人的范畴。由于其结构简单、运动灵活、适合在狭小和危险的空间内工作，在民用、军用、航天上有着广泛的应用前景[1]。 双轮自平衡移动机器人的自平衡原理来自于对倒立摆的控制，倒立摆系统是非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统[2]，是检验各种控制理论的理想模型，是国内外学者研究的热点。本文在北京邮电大学自动化学院研制的第一代自平衡双轮移动机器人的研究基础上，对其进行了控制系统上的改进。它最初的自平衡是靠车体的重心在电机轴线之下、轮子上安装球形外壳这种机械结构来实现的，当用遥控器控制它运动时，存在车体摆动的缺点。升级后的控制系统中，用陀螺仪实时检测车体当前的姿态，通过控制算法实现其白平衡。这种控制系统并成功应用在机械结构重新设计的第二代自平衡移动机器人上。具体所作的工作如下： 1)建立双轮自平衡移动机器人的简化模型，进行运动学和动力学分析，为控制策略和算法研究奠定基础。 2)加入检测车体姿态的陀螺仪，在主控制器、传感器、电机驱动器之间以CAN总线连接，使用Canopen通讯协议，通过控制算法实现第一代双轮移动机器人的自平衡，达到了载人行驶的控制目标。 3)通过对几种常用的控制算法的比较和分析，提出合理的控制算法，并用ADAMS和MATLAB对第二代自平衡移动机器人系统进行联合控制仿真验证。 4)在第二代自平衡移动机器人内建立硬件控制系统，完成陀螺仪检测信息处理、液晶显示、车把转向、双绕组无刷直流电机控制的程序设计。并对各程序模块的流程结构进行了分析和独立测试，最终完成整个控制程序的编写。 5)最后进行整机实验联调，对硬件和软件系统进行验证，在调试过程中不断对硬件和软件改进和完善，最终达到理想的控制目标。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1课题背景与研究意义

1.2双轮自平衡移动机器人国内外研究现状

1.2.1双轮自平衡移动机器人国外研究现状

1.2.2双轮自平衡移动机器人国内研究现状

1.3双轮自平衡移动机器人的分析

1.4几种典型双轮白平衡移动机器人控制系统比较

1.5本论文的主要研究内容

第二章 双轮自平衡机器人的理论分析

2.1概述

2.2倒立摆系统及其控制

2.2.1倒立摆系统

2.2.2倒立摆系统的控制方法

2.2.3双轮倒立摆系统的控制模式

2.3双轮自平衡移动机器人的运动学分析

2.4双轮自平衡移动机器人的动力学分析

2.5运动控制理论

2.5.1运动控制概述

2.5.2控制系统方案的比较

2.6本章小结

第三章 基于Canopen协议的自平衡控制设计

3.1概述

3.2第一代双轮自平衡机器人的结构及其控制系统

3.2.1第一代双轮自平衡机器人的结构

3.2.2第一代双轮自平衡机器人的硬件控制系统

3.3第一代双轮自平衡机器人的软件控制系统

3.3.1控制策略

3.3.2控制程序的结构分析

3.3.3 CANopen协议具体参数的设置

3.4第一代双轮自平衡机器人的实验测试

3.5本章小结

第四章 基于ADAMS和MATLAB的联合控制仿真

4.1概述

4.2 ADAMS中建立简化双轮自平衡机器人简化模型

4.3 MATLAB/Simulink的控制模块设计

4.4联合仿真的实验数据

4.5本章小结

第五章第二代自平衡机器人系统

5.1概述

5.2第二代自平衡机器人机械结构

5.3第二代自平衡机器人硬件控制系统

5.3.1硬件控制系统

5.3.2双余度永磁无刷直流电动机控制设计

5.3.3自平衡机器人车体转向与显示控制设计

5.3.4自平衡机器人车体姿态检测控制设计

5.3.5电源管理控制设计

5.4第二代自平衡机器人软件控制系统

5.4.1控制策略研究

5.4.2利用模糊控制思想对系统的分析

5.4.3控制程序函数设计

5.4.4程序系统结构流程设计

5.5本章小结

第六章总结与展望

一、总结

二、展望

参考文献

致谢

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