Harbin University Of Science And Technology 科研訓練開題報告兩輪自平衡車系統(tǒng)設(shè)計 學校：哈爾濱理工大學 學院：自動化學院 專業(yè)：電子信息科學與技術(shù) 班級：電技11-1 姓名：鄧敏 學號：1112020103 日期：2014.12.08 項目名稱兩輪自平衡系統(tǒng)設(shè)計項目類型科研訓練起止時間2014 年 12 月 8 日 至 2014 年 12 月 27日指 導 教 師姓名徐軍職務(wù)/職稱教授姓名馬靜職務(wù)/職稱副教授姓名劉燕職務(wù)/職稱講師一、立項依據(jù)1.1 研究目的及意義 近年來，兩輪自平衡小車的研究開始在美國、日本、瑞士等國得到迅速的發(fā)展。建立了多個實驗原機型，提出來眾多解決平衡控制的方案，并對原機型的自動平衡性能與運動特性進行了驗證。通過對兩輪自平衡系統(tǒng)的改造，可快速方便的應(yīng)用到眾多環(huán)境中去，如承載、運輸、代步等。這其中蘊藏著巨大的商機，相應(yīng)有些國外公司現(xiàn)在已經(jīng)推出了商業(yè)化產(chǎn)品，并且已經(jīng)投放到了市場。 兩輪自平衡小車兩輪共軸、獨立驅(qū)動、車身重中心位于車輪軸上方，通過運動保持平衡，可以直立運動，因為特別的結(jié)構(gòu)，它對于地形的變化有很強的適應(yīng)能力，有著良好的運動性能，能夠在比較復雜的環(huán)境里面的工作，和傳統(tǒng)的輪式移動機器人相比較，兩輪自平衡小車有著以下的幾個優(yōu)點：（1）能夠?qū)崿F(xiàn)在原地回轉(zhuǎn)和任意半徑的轉(zhuǎn)向，有更加靈活易變的移動軌跡很好地彌補了傳統(tǒng)多輪布局的缺點；（2）具有占地面積小的優(yōu)點，能夠在場地面積很小或者要求靈活運輸?shù)膱龊仙鲜褂?；?）車的結(jié)構(gòu)上有很大的簡化，可以把車做的更輕更?。唬?）有著較小的驅(qū)動功率，能夠讓電池長時間供電，為環(huán)保型輕車提供了一種新的概念；（5) 機器人的平衡是個動態(tài)過程；機器人在平衡點附近不停地變化進行調(diào)節(jié)以保持平衡；（6) 重心的高度對小車運動和硬件設(shè)計的限制小。多輪(三輪或以上)移動小車雖然可以穩(wěn)定地平衡，可是重心過高則小車啟動或急停時，有傾倒的危險。因此重心必須要求很低，設(shè)計時總是拉大小車的水平截面積，降低高度。這樣會造成小車體積變大，質(zhì)量增加，某些功能會受到限制。兩輪自平衡移動小車卻無這方面的約束，重心的高低引起的不平衡已經(jīng)通過動態(tài)平衡原理解決。因此重心的高低無嚴格限制，節(jié)省占地面積，可用在場地面積較小或要求靈活運輸?shù)膱龊希唬?) 驅(qū)動功率較小，為電池長時間供電提供了可能，為環(huán)保輕型車提供了一種新的思路。鑒于這些特點，兩輪自平衡小車有著相當廣泛的應(yīng)用前景。 兩輪自平衡小車是一個集動態(tài)決策和規(guī)劃、環(huán)境感知、行為控制和執(zhí)行等多種功能于一體的綜合復雜系統(tǒng)，其關(guān)鍵是在解決自平衡的同時，還能夠適應(yīng)在各種環(huán)境下的控制任務(wù)。通過運用外速度傳感器、角速度傳感器等，可以實現(xiàn)小車的平衡自主前進。 近十年來，兩輪自平衡機器人引起同外許多研究機構(gòu)和機器人愛好者極大關(guān)注，各種基于不同目的、不同設(shè)計方案和控制策略的自平衡系統(tǒng)相繼而生。在這方面國外的研究比較超前，研制出了一些具有代表性的機器人。 設(shè)計出一款可以獨立行走的雙輪自平衡小車，一個集動態(tài)決策和規(guī)劃、環(huán)境感知、行為控制和執(zhí)行等多種功能于一體的綜合復雜系統(tǒng)，其關(guān)鍵是在解決自平衡的同時，還能夠適應(yīng)在各種環(huán)境下的控制任務(wù)。通過運用外速度傳感器、角速度傳感器等，可以實現(xiàn)小車的平衡自主前進。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) 兩輪自平衡小車自問世以來，迅速成為研究各種控制理論的理想平臺，具有重大的理論意義，這要歸功于她不穩(wěn)定的動態(tài)性能和系統(tǒng)所具有的非線性。 早在1 986年，日本電通大學教授山藤高橋最先提出了兩輪自平衡機器人的概念，并制造了一個在導軌上的兩輪倒立擺機器人。這個基本的概念就是用數(shù)字處理器來偵測平衡的改變，然后以平行的雙輪來保持機器的平穩(wěn)。這款被山藤高橋稱為平行自行車的機器人開創(chuàng)了兩輪自平衡機器人研究的先河。 美國Segway LLC公司開發(fā)的Segway HT兩輪平臺電動車把人們從傳統(tǒng)的“ 三點平衡 ”和以低重心、大商穩(wěn)的底盤設(shè)計來避免傾斜的束縛中解脫出來，通過檢測車體的角度和角述度用適當?shù)幕貜娃D(zhuǎn)矩來避免傾刳摔倒。系統(tǒng)利用5個慣性比率傳感器(陀螺儀)、2個傾角侍感器、電機編碼器和一世光學腳墊傳感囂把系統(tǒng)的的狀態(tài)提供給了控制器，控制器經(jīng)過運算確定輸入給電機的能量大小。 近十年來，兩輪自平衡機器人引起同外許多研究機構(gòu)和機器人愛好者極大關(guān)注，各種基于不同目的、不同設(shè)計方案和控制策略的自平衡系統(tǒng)相繼而生。在這方面國外的研究比較超前，研制出了一些具有代表性的機器人，國內(nèi)的研究基本上處于理論研究與實踐的初期，只開發(fā)出了少數(shù)的實驗原型機。 中國科學技術(shù)大學自動化系和力學系多位教授、博導、博士、碩士研究生和本科生聯(lián)合研制完成的科研成果，又名自平衡電動代步車，是實用的兩輪自動平衡車，己能實用化，兩輪自平衡機器幾是將倒立擺原理移植到移動機器人上的概念。關(guān)于倒立擺的研究多年來國內(nèi)外已經(jīng)研究非常成熟，其文獻也相當之多，然而更重要的是如何將倒立擺有效地應(yīng)用在移動機器人上。 以上是國內(nèi)外兩輪自平衡小車的研究現(xiàn)狀，這些小車都對本課題的研究提供了很好的指導作用。然而，這些機器人的有關(guān)資料中并沒有對機器人速度控制的詳細介紹。二、項目研究內(nèi)容、研究目標以及擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問題2.1 項目研究內(nèi)容 1) 兩輪自平衡小車物理實體的設(shè)計，各部分之間的硬件連接，搭建。 2) 小車角速度傳感器，加速度傳感器對自身信息的采集，并實現(xiàn)采集的信息對單片機進行傳送。 3）單片機軟件的設(shè)計，實現(xiàn)對小車的信息采集控制。2.2 研究目標 設(shè)計一款可以獨立行走的雙輪自平衡小車，一個集動態(tài)決策和規(guī)劃、環(huán)境感知、行為控制和執(zhí)行等多種功能于一體的綜合復雜系統(tǒng)，其關(guān)鍵是在解決自平衡的同時，還能夠適應(yīng)在各種環(huán)境下的控制任務(wù)。通過運用外速度傳感器、角速度傳感器等，可以實現(xiàn)小車的平衡自主前進。2.3 擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問題 兩輪自平衡小車是一個集動態(tài)決策和規(guī)劃、環(huán)境感知、行為控制和執(zhí)行等多種功能于一體的綜合復雜系統(tǒng)，其關(guān)鍵是在解決自平衡的同時，還能夠適應(yīng)在各種環(huán)境下的控制任務(wù)。通過運用外速度傳感器、角速度傳感器等，可以實現(xiàn)小車的平衡自主前進。技術(shù)關(guān)鍵： 測量小車的姿態(tài)、速度等； 使用處理芯片對姿態(tài)信息進行處理； 使用控制芯片，用模糊控制方法控制小車。主要技術(shù)指標：在一定角度內(nèi)實現(xiàn)平衡，受外界一定干擾能自主恢復平衡等。 兩輪自平衡機器人系統(tǒng)是一個復雜的機電系統(tǒng)，設(shè)計兩輪自平衡機器人需要設(shè)計其機械系統(tǒng)、電系統(tǒng)及軟件。而電系統(tǒng)是包括控制處理器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)和電源的一個復雜系統(tǒng)。軟件設(shè)計需設(shè)計機器人的工作流程。因此要設(shè)計一個完整的兩輪自平衡機器人系統(tǒng)就需要對這些部分分別進行設(shè)計并整合，才能完成兩輪自平衡機器人系統(tǒng)的設(shè)計。 系統(tǒng)設(shè)計包括軟件設(shè)計和硬件設(shè)計，采用卡爾曼算法的初值計算方法及實際應(yīng)用，雙輪自平衡小車的PID控制。三、研究方案、技術(shù)路線3.1 小車動態(tài)平衡的基本原理如下圖一所示： 圖一 動態(tài)平衡原理圖 兩輪自平衡機器人系統(tǒng)是一個復雜的機電系統(tǒng)，設(shè)計兩輪自平衡機器人需要設(shè)計其機械系統(tǒng)、電系統(tǒng)及軟件。而電系統(tǒng)是包括控制處理器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)和電源的一個復雜系統(tǒng)。軟件設(shè)計需設(shè)計機器人的工作流程。因此要設(shè)計一個完整的兩輪自平衡機器人系統(tǒng)就需要對這些部分分別進行設(shè)計并整合，才能完成兩輪自平衡機器人系統(tǒng)的設(shè)計。3.2 兩輪自平衡機器人機械系統(tǒng)設(shè)計 兩輪自平衡機器人結(jié)構(gòu)上最顯著的特點在于其只有兩個輪子，而且這兩個輪子要同軸安裝分別驅(qū)動。當然，一個完整的兩輪自平衡機器人還包括控制處理器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、電源等期間。如何將這些系統(tǒng)部件合理地安裝在一起，需要機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計。這部分的設(shè)計由具體安裝時根據(jù)不同模塊的輕重來安排設(shè)計，總體上讓小車承受的重力基本平衡即可。3.3 兩輪自平衡機器人電系統(tǒng)設(shè)計 兩輪自平衡小車要完成其自平衡的功能，首先需要有其感知器官，感知自身的姿態(tài)，例如，傾角、傾角速度等，得到這些信息需要選擇一些合適的傳感器。而傳感器檢測到的信號，需要一個數(shù)字處理中心來接收處理，才能成為有用的信息。因此還需要選擇一個嵌入式的處理器。在嵌入式處理器中，不僅僅要處理來自傳感器的信息，還要對這些信息綜合分析得出維持機器人平衡的需要采取的措施，因此選擇的嵌入式處理器不僅僅擔負著信息采集的任務(wù)，還扮演著作為控制器的角色。最后，需要有執(zhí)行機構(gòu)在控制周期內(nèi)去執(zhí)行處理器做出的判斷。因此，在兩輪自平衡機器人電系統(tǒng)的設(shè)計中，處理器、傳感器、以及執(zhí)行機構(gòu)的選擇是至關(guān)重要的。 本設(shè)計中選用預計采用加速的傳感器，角速度傳感器，進行采集小車當前的平衡狀況，再把這些信息傳送到主控制器52單片機中。單片機對這些信息進行實時的處理。再把這些信息的處理結(jié)果傳送給電機驅(qū)動器，控制電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向，由此來達到小車自身的平衡。由此可以看出小車的平衡過程是動態(tài)的。具體設(shè)計框圖二如示：51單片機電源模塊電機驅(qū)動模塊傳感器模塊 圖二 系統(tǒng)框圖四、項目特色與創(chuàng)新之處 特色：（1）能夠?qū)崿F(xiàn)在原地回轉(zhuǎn)和任意半徑的轉(zhuǎn)向，有更加靈活易變的移動軌跡很好地彌補了傳統(tǒng)多輪布局的缺點；（2）具有占地面積小的優(yōu)點，能夠在場地面積很小或者要求靈活運輸?shù)膱龊仙鲜褂?；?）車的結(jié)構(gòu)上有很大的簡化，可以把車做的更輕更??；（4）有著較小的驅(qū)動功率，能夠讓電池長時間供電，為環(huán)保型輕車提供了一種新的概念；（5)機器人的平衡是個動態(tài)過程；機器人在平衡點附近不停地變化進行調(diào)節(jié)以保持平衡；（6)重心的高度對小車運動和硬件設(shè)計的限制小。多輪(三輪或以上)移動小車雖然可以穩(wěn)定地平衡，可是重心過高則小車啟動或急停時，有傾倒的危險。因此重心必須要求很低，設(shè)計時總是拉大小車的水平截面積，降低高度。這樣會造成小車體積變大，質(zhì)量增加，某些功能會受到限制。兩輪自平衡移動小車卻無這方面的約束，重心的高低引起的不平衡已經(jīng)通過動態(tài)平衡原理解決。因此重心的高低無嚴格限制，節(jié)省占地面積，可用在場地面積較小或要求靈活運輸?shù)膱龊?；?)驅(qū)動功率較小，為電池長時間供電提供了可能，為環(huán)保輕型車提供了一種新的思路。 創(chuàng)新之處：利用慣性技術(shù)、模糊控制使兩輪小車保持平衡，國內(nèi)外都有一定的研究。本作品旨在前人的研究基礎(chǔ)上，加上了自己的一些創(chuàng)新技術(shù)，使自己設(shè)計的小車滿足一定場合的要求。創(chuàng)新點：使用MEMS陀螺、加速度計來測姿、測速等，采用模糊控制來控制小車，實現(xiàn)小車的平衡。 五、進度安排1、2014年12月08 日 參加科研訓練開題報告會，確定科研訓練題目2、2014年12月09 日 準備完成開題報告書3、2014年12月10 日 完成科研訓練開題報告書4、2014年12月11 日 電路板焊接5、2014年12月15 日 結(jié)構(gòu)設(shè)計與調(diào)6、2014年12月17 日 硬件電路調(diào)試7、2014年12月19 日 軟件調(diào)試8、2014年12月23 日 聯(lián)合調(diào)試9、2014年12月25 日 綜合測試10、2014年12月27日 答辯與成績評定六、預期成果 設(shè)計一款可以獨立行走的雙輪自平衡小車,并完成報告總結(jié)。七、成績評定指導教師簽字： 年 月 日