PAGEPAGE2 HarbinUniversityOfScienceAndTechnology科研訓練開題報告兩輪自平衡車系統(tǒng)設計學校：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/職稱教授姓名馬靜職務/職稱副教授姓名劉燕職務/職稱講師二、項目研究內(nèi)容、研究目標以及擬解決的關鍵技術(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）單片機軟件的設計，實現(xiàn)對小車的信息采集控制。2.2研究目標設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)，其關鍵是在解決自平衡的同時，還能夠適應在各種環(huán)境下的控制任務。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)，其關鍵是在解決自平衡的同時，還能夠適應在各種環(huán)境下的控制任務。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)關鍵：①測量小車的姿態(tài)、速度等；②使用處理芯片對姿態(tài)信息進行處理；③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)，設計兩輪自平衡機器人需要設計其機械系統(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)。軟件設計需設計機器人的工作流程。因此要設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計并整合，才能完成兩輪自平衡機器人系統(tǒng)的設計。系統(tǒng)設計包括軟件設計和硬件設計，采用卡爾曼算法的初值計算方法及實際應用，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)，設計兩輪自平衡機器人需要設計其機械系統(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)。軟件設計需設計機器人的工作流程。因此要設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計并整合，才能完成兩輪自平衡機器人系統(tǒng)的設計。3.2兩輪自平衡機器人機械系統(tǒng)設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)的設計。這部分的設計由具體安裝時根據(jù)不同模塊的輕重來安排設計，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，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)的設計中，處理器、傳感器、以及執(zhí)行機構(gòu)的選擇是至關重要的。本設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。具體設計框圖二如示：51單片機51單片機電源模塊電機驅(qū)動模塊電源模塊電機驅(qū)動模塊傳感器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上，加上了自己的一些創(chuàng)新技術(shù)，使自己設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