中国海洋大学硕士学位论文
单轴双轮自平衡代步车的研究与设计
姓名：张吉昌申请学位级别：硕士专业：光学工程指导教师：郑荣儿;程凯
20090601
单轴双轮自平衡代步车的研究与设计摘要本课题旨在研制一种单轴双轮自平衡代步车。该系统是一种两轮左右平行布置的单人电动车，像传统的倒立摆一样，本身是一个自然不稳定体，必须：沲加强有力的控制手段才能使之稳定。由于它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性，因而对其进行研究具有重要的理论和实践意义。自平衡代步车由踏板、车把和两个平行的轮子组成，除了开关按钮，没有任何加速、减速和刹车控制装置。内置了轮毂电机的车轮平行地安装在踏板两侧，电源和驱动控制电路安装在踏板下方。系统以姿态传感器（陀螺仪、加速度计）来监测车身所处的俯仰状态和状态变化率，通过高速中央处理器计算出适当数据和指令后，驱动电动机产生前进或后退的加速度来达到车体前后平衡的效果。驾驶者只需身体往前倾或后倾，代步车就会根据俯仰的方向前进或后退，而速度则与驾驶人身体倾斜的程度呈正比。车体的转弯通过车把的左右倾斜角度来控制，不同的倾斜角度对应电机不同的速度差。原则上，只要打开电源且能保持足够运作的电力，车上的人就不用担心有倾倒跌落的可能，这与一般需要靠驾驶人自己进行平衡的滑板车等交通工具大大不同。该系统灵活性强且结构简单、操作容易，可作为大众在多种场合的代步工具。对于姿态检测系统而言，单独使用陀螺仪或者加速度计，都不能提供有效而可靠的信息来保证车体的平衡。本文采用一种简易互补滤波方法来融合陀螺仪和加速度计的输出信号，补偿陀螺仪的漂移误差和加速度计的动态误差，得到一个更优的倾角近似值。控制技术是运动控制的核心，在实际生产实践中应用最普遍的是各种以ＰＩＤ为代表的基本控制技术。按照偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器，简称为ＰＩＤ调节器，是连续系统中技术成熟且应用广泛的一种调节器。本文对系统用到的ＰＩＤ控制技术做了相应的研究，从理论上分析了变积分的ＰＩＤ控制技术的优势，并在系统的实际测试中获得了良好的效果。关键词：自平衡；陀螺仪；加速度计；简易互补滤波；ＰＩＤ控制ＴｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅＳｅｌｆ—ｂａｌａｎｃｉｎｇＴｗｏＡｂｓｔｒａｃｔＷｈｅｅｌｅｄＶｅｈｉｃｌｅｈｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ，ａｔｗｏ－ｗｈｅｅｌｅｄｖｅｈｉｃｌｅｗｉｔｈｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｓｅｌｆ－ｂａｌａｎｃｉｎｇｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｆｏｒｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｉｓａｒｒａｎｇｅｄｂｙｔｗｏｐａｒａｌｌｅｌｅｄｗｈｅｅｌｓａｎｄｐｏｗｅｒｅｄｂｙｅｌｅｃｔｒｉｃｍｏｔｏｒ，ｗｈｉｃｈｉｓａｌｌｕｎｓｔａｂｌｅｏｂｊｅｃｔｎｅｅｄｅｄｆｏｒｃｅｔｏｋｅｅｐｂａｌａｎｃｅ，ｊｕｓｔｓｉｍｉｌａｒａｓｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ‘ｉｎｖｅｒｔｅｄｐｅｎｄｕｌｕｍ’．Ｓｉｎｃｅｔｈｅａｃｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｉｓｍｅａｎｉｎｇｆｕｌｆｏｒｔｈｅｔｈｅｏｒｙｔｏｒｏｃｋｅｔｆｌｙｉｎｇａｎｄｒｏｂｏｔｗａｌｋｉｎｇ，ｔｈｉｓａｎｄｐｒａｃｔｉｃｅ．Ｔｈｉｓｓｅｌｆ－ｂａｌａｎｃｉｎｇｖｅｈｉｃｌｅｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｎｏｏｆａｐｅｄａｌ，ａｈａｎｄｌｅａｎｄａｓｔｗｏｐａｒａｌｌｅｌｅｄｗｈｅｅｌｓ．Ａｓｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｒｅｉＳａｎｄｂｒａｋｅ，ｅｘｃｅｐｔａｒｅｏｎｅｃｏｎｔｒｏｌｄｅｖｉｃｅ，ｓｕｃｈａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ，ｒｅｔａｒｄｅｒｈｕｂｍｏｔｏｒｓｃｉｒｃｕｉｔｉｓｂｕｔｔｏｎｆｏｒｔｕｒｎｉｎｇｏｎ／ｏｆｆ．Ｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｔｗｏｉｎｎｅｒｔｈｅｍｏｕｎｔｅｄｏｎｔｈｅｂｏｔｈｓｉｄｅｓｏｆｐｅｄａｌ，ａｎｄｔｈｅｂａｔｔｅｒｙｗｉｔｈｔｏｔｈｅｄｒｉｖｅ－ｃｏｎｔｒｏｌｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｐｅｄａｌ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｉｎｅｒｔｉａｌｓｔａｔｅｓｅｎｓｏｒ（ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ，ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ），ｔｈｅｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄａｔａｏｆｐｉｔｃｈｉｎｇｓｔａｔｅａｎｄｃｈａｎｇｉｎｇａｒｅｉｎｐｕｔｉｎｔｏｃｏｍｍａｎｄｓｔｏｄｒｉｖｅＭＯＬｌ（ＭｉｃｒｏＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｂａｌａｎｃｅｆｏｒｔｈｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｔｈｅｍｏｔｏｒｆｏｒｗａｒｄ／ｂａｃｋｗａｒｄｆｏｒｔｈｅｋｅｅｐｉｎｇ．Ａｓｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｗｏｕｌｄｍｏｖｅｆｏｒｗａｒｄｏｒｂａｃｋｗａｒｄｗｉｔｈｔｈｅｐｉｔｃｈｉｎｇｏｆｒｉｄｅｒ，ａｎｄｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｗｏｕｌｄｂｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｔｏｔｈｅｔｉｌｔｔｈｅｔｉｌｔａｎｇｌｅ．Ｆｏｒｏｆｔｕｒｎｉｎｇ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓｏｆｔｗｏｍｏｔｏｒｓｗｏｕｌｄｂｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａｓｌｏｎｇａｓｔｈｅａｎｇｌｅｈａｎｄｌｅ．Ｉｎｐｏｗｅｒｗａｓａｄｅｑｕａｔｅ，ｔｈｅｒｉｄｅｒａｌｌ，ｉｔｉｓａｗｏｎ’ｔｆａｌｌｄｏｗｎｗｈｉｃｈｄｉｆｆｅｒｆｒｏｍｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｏｆｓｉｍｐｌｅ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ，ｆｌｅｘｉｂｌｅｍａｎｕａｌ—ｂａｌａｎｃｅｄｓｃｏｏｔｅｒ．Ａｂｏｖｅａｎｄｅａｓｙ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ，ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ．ｂｅｓｅｒｖｅｄａｓａｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｔｒａｖｅｌｉｎｇｔ００１ｔｏｍｅｅｔｖａｒｉｅｔｙｎｅｅｄｓａｂｏｕｔＦｏｒｔｈｅｐｏｓｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｏｌｅｌｙｄｅｐｅｎｄｓＳＵｒｅｏｎｔｈｅｇｙｒｏｓｃｏｐｅｏｒｔｈｅａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｃｏｕｌｄｎ’ｔｍａｋｅｔｈｅｂａｌａｎｃｅｏｆｖｅｈｉｄｅ．ＳｏｔｈｅａｓｉｇｎａｌｓｆｒｏｍｔｈｅｇｙｒｏｓｃｏｐｅａｎｄａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｗｅｒｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｂｙｔｏｓｉｍｐｌｅｍｅｔｈｏｄｏｆｄｒｉｆｔｅｒｒｏｒｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙｆｉｌｔｅｒｉｎｇｆｏｒａｎｏｐｔｉｍａｌａｎｇｌｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｔｈｅｇｙｒｏｓｃｏｐｅａｎｄｔｈｅａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｄｙｎａｍｉｃｅｒｒｏＬＩｌＣｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｓｔｈｅｃｏｒｅｏｆｖｅｈｉｃｌｅｍｏｖｅｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈｉｓｔｙｐｉｃａｌｗｉｔｈＰＩＤｉｎｐｒａｃｔｉｃｅ．ＰＩＤｍｏｄｅｒａｔｏｒｉｓａ（ＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎ）ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。ｍａｔｕｒｅｄＯｎｍｏｄｅｒａｔｏｒｆｏｒｗｉｄｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈｂａｓｅｄｄｅｖｉａｔｉｏｎｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ，ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ，ＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅｗａｓｄｅｔａｉｌｅｄｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｉｎｔｈｅｏｒｙ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｆｏｒｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆＰＩＤｖａｒｉａｔｉｏｎａｌｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ａｎｄｆｉｎａＵｙｗｅｌｌ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗａｓａｃｈｉｅｖｅｄｉｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｌｆ－ｂａｌａｎｃｅ；ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ；ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ；ｓｉｍｐｌｅｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙｆｉｌｔｅｒｉｎｇ；ＰＤＩＩＩ独创声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得注！翅遗直甚丝霞蔓挂别直随丝：奎拦亘窒２或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：芗枝专签字日期：乙矸年６月ｆＪＥｔ学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：／≤椤苇多导师签字：夕，ｌ车，Ｌ邛刎Ｉ签字隰１年６月中日学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：签字日期：枷１年舌月华日电话：邮编：
单轴双轮自平衡代步车的研究与设计 - 图文
