課程設(shè)計(jì)-兩輪寶貝車自動行駛的實(shí)現(xiàn)原理探討

1、<p><b>　　結(jié) 課 作 業(yè)</b></p><p>　　論文題目：兩輪寶貝車自動行駛的實(shí)現(xiàn)原理探討</p><p><b>　　學(xué)生姓名： </b></p><p><b>　　學(xué)生學(xué)號：</b></p><p><b>　　所在院（系）： <

2、/b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p><b>　　日期： </b></p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要3</b></p><p>　　Abstrac

3、t3</p><p>　　1.為何想到要做兩輪寶貝車的自動行駛3</p><p>　　2.兩輪自動行駛的可行性及其原理4</p><p>　　2.1相關(guān)產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)可行性4</p><p>　　2.2寶貝車的改裝實(shí)現(xiàn)4</p><p>　　2.3寶貝車模型的簡化5</p><p>

4、　　2.3.1兩輪寶貝車控制系統(tǒng)的搭建5</p><p>　　2.4寶貝車系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)計(jì)算6</p><p>　　2.4.1寶貝車動能的計(jì)算6</p><p>　　2.4.2寶貝車勢能的計(jì)算7</p><p>　　2.4.3寶貝車耗散能的計(jì)算7</p><p>　　2.4.4寶貝車?yán)窭嗜毡磉_(dá)式以及狀態(tài)空間的

5、建立8</p><p>　　2.5 兩輪寶貝車行走機(jī)構(gòu)的仿真和狀態(tài)驗(yàn)證9</p><p>　　3 兩輪寶貝車程序控制9</p><p>　　3.1鳴揚(yáng)聲器10</p><p>　　3.2用變量儲存數(shù)值10</p><p>　　3.3控制電機(jī)運(yùn)行時(shí)間10</p><p>　　3.4一個(gè)

6、簡易的判斷反饋判斷執(zhí)行語句10</p><p><b>　　4.參考文獻(xiàn)12</b></p><p><b>　　5.致謝12</b></p><p>　　兩輪寶貝車自動行駛的實(shí)現(xiàn)原理探討</p><p><b>　　摘要</b></p><p>

7、　　自動駕駛一直是當(dāng)今社會的大趨勢，而我們所說的自動駕駛更多的是基于四輪汽車的自動駕駛，同樣我們可以實(shí)現(xiàn)兩輪的摩托自動駕駛，當(dāng)然我們也可以實(shí)現(xiàn)兩輪的寶貝車自動駕駛。</p><p>　　關(guān)鍵詞：寶貝車，自動駕駛</p><p>　　The realization of the Boe-Bot intelligent robot’s self-driving</p><p

8、><b>　　Abstract</b></p><p>　　Self-driving is a trend in the current society, and the so-called self-driving car is mean to be the four-wheel car. However, we can also realize the self-driving o

9、f the two-wheel motorcycle, certainly we can as well let the Boe-Bot intelligent robot drive by itself.</p><p>　　Key words: Boe-Bot intelligent robot，self-driving</p><p>　　為何想到要做兩輪寶貝車的自動行駛</p

10、><p>　　這要從我看到的一個(gè)Ted視頻中的自動駕駛說起，在視頻中演講者給我們展示了Google研制的自動駕駛的汽車，汽車自動駕駛技術(shù)包括視頻攝像頭、雷達(dá)傳感器以及激光測距器來了解周圍的交通狀況，并通過一個(gè)詳盡的地圖(通過有人駕駛汽車采集的地圖)對前方的道路進(jìn)行導(dǎo)航。這一切都通過谷歌的數(shù)據(jù)中心來實(shí)現(xiàn)，谷歌的數(shù)據(jù)中心能處理汽車收集的有關(guān)周圍地形的大量信息。就這點(diǎn)而言，自動駕駛汽車相當(dāng)于谷歌數(shù)據(jù)中心的遙控汽車或者智能汽

11、車。</p><p>　　于是我接著就想到，如果汽車可以做成自動駕駛的，那么摩托車是否也能做成自動駕駛的呢？如果要實(shí)現(xiàn)摩托車的自動駕駛，那么首先要考慮的元素是摩托車的平衡問題。我們知道，一般不會騎自行車的人就是由于找不到平衡的感覺，自行車騎上去就會出現(xiàn)左右偏離的問題，那么我們自然也就聯(lián)想到，是不是讓摩托車自動駕駛的時(shí)候也會出現(xiàn)平衡不穩(wěn)的現(xiàn)象，從而無法正常行駛呢，其實(shí)這個(gè)擔(dān)心是完全有必要的。那么這個(gè)問題是否可以通過

12、程序來解決呢？</p><p>　　我們可以暫時(shí)不考慮這個(gè)問題。也就是這樣一步一步的過來，我想到了讓寶貝車實(shí)現(xiàn)兩輪自動行駛。如果兩輪寶貝車實(shí)現(xiàn)了自動行駛，后面的那個(gè)從動輪就可以去掉了，從而可以讓其結(jié)構(gòu)更加簡單，行動更加輕便，這無疑是對寶貝車的一個(gè)改進(jìn)。而且兩輪自動行駛的實(shí)現(xiàn)，我們可以增強(qiáng)寶貝車的娛樂性以及學(xué)習(xí)趣味性。該寶貝車的定位就是寓樂于學(xué)，通過娛樂的方式來學(xué)習(xí)。而我認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)兩輪自動控制既是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，又富

13、有相當(dāng)?shù)膴蕵沸?。同時(shí)運(yùn)用兩輪并列的的自動控制原理，我們可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡易的代步車，在使用的時(shí)候?qū)喈?dāng)方便。</p><p>　　兩輪自動行駛的可行性及其原理</p><p>　　2.1相關(guān)產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)可行性</p><p>　　首先我們環(huán)顧生活周圍，我們會發(fā)現(xiàn)生活中的自行車、摩托車都是兩輪的，他們依據(jù)的原理都是物理學(xué)中運(yùn)動學(xué)以及動力學(xué)中的動態(tài)平衡理論來實(shí)現(xiàn)前進(jìn)行駛的。

14、在直線行進(jìn)的過程中自行車的平均中心是在兩個(gè)輪子的連心上的，在轉(zhuǎn)彎的過程中中心是在靠近圓心的一側(cè)。其實(shí)從理論上講，只要人能夠完成的工作，我們都可以通過程序控制來完成。</p><p>　　2.2寶貝車的改裝實(shí)現(xiàn)</p><p>　　下面我們說明寶貝車應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)兩輪的自動行駛。首先我們可以從生活中找到兩輪行進(jìn)的裝置，比如說上面圖中所示的代步車。如右圖是一輛安裝好的完整寶貝車（為方便起見，在這

15、里我們定義左邊為前，右邊為后），可以看出兩個(gè)突出的驅(qū)動輪十分顯眼，而我們在實(shí)現(xiàn)的過程中也會只保留這兩個(gè)大的輪子，而把前面的小輪子拆卸掉。</p><p>　　2.3寶貝車模型的簡化</p><p>　　我們可以將寶貝車簡化成如下模型</p><p>　　在這種情況下，我們需要將整車的重心調(diào)整到兩輪著地點(diǎn)的的連線中心。</p><p>　　2.

16、3.1兩輪寶貝車控制系統(tǒng)的搭建</p><p>　　在系統(tǒng)模型、分析與控制這門必修課程中，我學(xué)習(xí)到一些有關(guān)自動控制的知識，并且參考教材，我畫出了系統(tǒng)的方框結(jié)構(gòu)。</p><p>　　在此有必要對圖5作簡要的解釋，改裝后的寶貝車主要有車體平臺、2個(gè)帶編碼的直流伺服電機(jī)和左右車輪組成。2個(gè)電機(jī)安裝的位子如圖4所示.我們采用和請教傳感器組合構(gòu)成姿態(tài)檢測傳感器，檢測車體平臺的運(yùn)行姿態(tài)。采用寶貝車自

17、帶的可編程邏輯器件對電動機(jī)編碼器產(chǎn)生的脈沖量進(jìn)行計(jì)數(shù), 從而檢測出車體平臺的位移和速度，根據(jù)姿態(tài)監(jiān)測傳感器和位置傳感器檢測到的平臺運(yùn)行姿態(tài)信號, 通過一定的控制算法計(jì)算出控制電壓信號, 再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換及驅(qū)動器放大后驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),調(diào)整車體平臺的運(yùn)行姿態(tài),從而使車體平臺始終保持平衡狀態(tài)。</p><p>　　為建立數(shù)學(xué)分析模型，將行走機(jī)構(gòu)系統(tǒng)簡化為圖6所示模型，該模型以車體的行走方向?yàn)閤軸，車輪軸線為y軸，重力垂線

18、為z軸，將整機(jī)質(zhì)量簡化集中在P點(diǎn)。由圖3可以看出，該系統(tǒng)具有3個(gè)自由度；繞y軸的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)角和角速度；沿x 軸的直線運(yùn)動, 位移和移動速度；繞z軸的轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)角和角速度。以上6 個(gè)狀態(tài)變量完全描述了該三自由度系統(tǒng)的動態(tài)特性，系統(tǒng)的平衡靠電動機(jī)施加在左右輪軸上的驅(qū)動力矩和控制, 系統(tǒng)的輸入變量為和,輸出變量為，，和。這個(gè)屬于典型的多輸入多輸出系統(tǒng)。</p><p>　　2.4寶貝車系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)計(jì)算</p>

19、<p>　　2.4.1寶貝車動能的計(jì)算</p><p>　　為了簡化問題，僅對在平路沿x軸作直線運(yùn)行的情況進(jìn)行研究。同時(shí), 假設(shè)車輪與地面之間無打滑, 忽略相關(guān)的作用力和干擾力,利用拉格朗日(Lagrange)方法建立系統(tǒng)的動力學(xué)方程。對車體平臺和車輪兩部分進(jìn)行能量計(jì)算。系統(tǒng)能量包括動能、勢能和耗散能。其中,動能又包括平動動能和旋轉(zhuǎn)動能。</p><p>　　質(zhì)量中心P點(diǎn)沿x軸

20、和z軸的位移分別表示成</p><p><b>　　(1)</b></p><p><b>　　(2)</b></p><p>　　對(1)和(2)分別進(jìn)行微分，可得車體平臺的平均動能</p><p><b>　　(3)</b></p><p>　　上式

21、中：為車體平臺的總質(zhì)量；l為質(zhì)心到y(tǒng)軸的距離。</p><p>　　車體平臺的動能還可以表示成</p><p><b>　　(4)</b></p><p>　　上式中為車體平面的轉(zhuǎn)動慣量</p><p>　　將(3)與(4)相加，可以得到車體平臺的總動能</p><p><b>　　(5

22、)</b></p><p>　　兩車輪的屏東動能和旋轉(zhuǎn)動能可分別表示為</p><p><b>　　(6)</b></p><p><b>　　(7)</b></p><p>　　上式中為車輪的質(zhì)量；為車輪的轉(zhuǎn)動慣量；R為車輪半徑；為車輪旋轉(zhuǎn)角速度。</p><p&g

23、t;<b>　　那么車輪的總動能為</b></p><p><b>　　(8)</b></p><p>　　將(5)和(8)相加，我們可以得到系統(tǒng)的總動能</p><p><b>　　(9)</b></p><p>　　2.4.2寶貝車勢能的計(jì)算</p><

24、p>　　由于車輪的勢能無變化，僅考慮車體平臺的勢能，則系統(tǒng)的總勢能可以表示為</p><p><b>　　(10)</b></p><p>　　2.4.3寶貝車耗散能的計(jì)算</p><p>　　系統(tǒng)的耗散能可以表示為如下：</p><p><b>　　(11)</b></p>&

25、lt;p>　　上式中為車輪與地面的摩擦因素；為車體平臺與車輪軸之間的摩擦因素</p><p>　　2.4.4寶貝車?yán)窭嗜毡磉_(dá)式以及狀態(tài)空間的建立</p><p>　　系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，可用拉格朗日方程如下表示：</p><p>　　（i=1,2…,n） (12)</p><p>　　上式中為系統(tǒng)的廣義坐

26、標(biāo)；為系統(tǒng)的動能函數(shù)；為耗散能函數(shù);；為勢能函數(shù)；</p><p>　　為與廣義坐標(biāo)對應(yīng)的廣義力。</p><p>　　將(9)(10)(11)代入(12)中，可以得到描述被控系統(tǒng)動態(tài)特性的二階非線性微分方程組?？紤]在處的線性化，即取，，并忽略高次項(xiàng)，可以得到二階線性微分方程組</p><p><b>　　(13)</b></p>

27、<p><b>　　(14)</b></p><p>　　令系統(tǒng)的狀態(tài)變量為，可以得到被控系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程為</p><p><b>　　(15)</b></p><p><b>　　(16)</b></p><p>　　上式中矩陣 ，A的元素分別為</p&

28、gt;<p><b>　　，，，，，</b></p><p><b>　　其中</b></p><p>　　矩陣，B的元素分別為</p><p><b>　　，，，</b></p><p><b>　　矩陣，矩陣</b></p>

29、<p>　　2.5 兩輪寶貝車行走機(jī)構(gòu)的仿真和狀態(tài)驗(yàn)證</p><p>　　行走系統(tǒng)4個(gè)狀態(tài)變量分別有編碼器和姿態(tài)傳感器測出，構(gòu)成全維觀測，在Matlab環(huán)境中，使用函數(shù)可以得出反饋增益矩陣</p><p>　　從反饋增益矩陣可得到出事控制參數(shù)，通過樣機(jī)試驗(yàn)對控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。使用函數(shù)對進(jìn)行滿足出事條件的系統(tǒng)進(jìn)行仿真。系統(tǒng)狀態(tài)變量的初值確定為：取車體平臺最初傾角6°（

30、約為0.1rad），其余狀態(tài)變量的初值為0。仿真時(shí)間從，時(shí)間間隔為5ms。</p><p>　　仿真的系統(tǒng)零輸入響應(yīng)曲線如圖7所示，驗(yàn)證了系統(tǒng)的輸出可以達(dá)到穩(wěn)定性。</p><p>　　采用圖4所示結(jié)構(gòu)的樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)行走試驗(yàn)，在控制過程中對車體平臺施加擾動使擺角產(chǎn)生變化，當(dāng)所施加的擾動使擺角產(chǎn)生的偏差在一定范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)均能夠調(diào)節(jié)恢復(fù)到0點(diǎn)位置輸入響應(yīng)曲線如圖7所示。</p>

31、<p>　　3 兩輪寶貝車程序控制</p><p>　　在本文中我們以兩輪自動移動的原理為重，因此在這里就不對程序設(shè)計(jì)部分做詳細(xì)討論，再此僅提供一些基本的程序語言，以作參考。</p><p><b>　　3.1鳴揚(yáng)聲器</b></p><p>　　DEBUG CLS, “Beep!!!” ‘CLS</p><

32、;p>　　FREQOUT 4,2000,3000 </p><p>　　3.2用變量儲存數(shù)值</p><p>　　Variable Name VAR Size</p><p>　　Bit ---存0或者1</p><p><b>　　Bib --- </b></p><p><b>

33、;　　Byte---</b></p><p><b>　　Word---或者</b></p><p><b>　　e.g</b></p><p>　　i VAR Byte</p><p><b>　　i=200</b></p><p>　　D

34、EBUG ？ i ‘顯示i的值</p><p>　　3.3控制電機(jī)運(yùn)行時(shí)間</p><p>　　FOR i=1 TO 100</p><p>　　PULSOUT 13,850</p><p><b>　　PAUSE 20</b></p><p><b>　　NEXT</b&g

35、t;</p><p>　　總時(shí)間：1.7ms+20ms+1.3ms=23ms</p><p>　　3.4一個(gè)簡易的判斷反饋判斷執(zhí)行語句</p><p>　　‘{$STAMP BS2}’</p><p>　　‘{$PBASIC 2.5}’</p><p>　　DEBUG “Program Running!”</p&

36、gt;<p>　　i VAR Word</p><p>　　FREQOUT 4,2000,3000</p><p><b>　　DO</b></p><p>　　IF(IN5=0) THEN</p><p>　　GOSUB BACK</p><p>　　GOSUB RIGHT<

37、/p><p>　　ELSEIF(IN7)THEN</p><p>　　GOSUB BACK</p><p>　　GOSUB LEFT</p><p><b>　　ELSE</b></p><p>　　GOSUB FORWARD</p><p><b>　　ENDIF&

38、lt;/b></p><p><b>　　LOOP</b></p><p><b>　　FORWARD:</b></p><p>　　PULSOUT 13,850</p><p>　　PULSOUT 12,650</p><p><b>　　PAUSE 20&

39、lt;/b></p><p><b>　　RETURN</b></p><p><b>　　LEFT:</b></p><p>　　FOR i=0 TO 20</p><p>　　PULSOUT 13,650</p><p>　　PULSOUT 12,650</p

40、><p><b>　　PAUSE 20</b></p><p><b>　　NEXT</b></p><p><b>　　RETURN</b></p><p><b>　　RIGHT:</b></p><p>　　FOR i=0 TO

41、20</p><p>　　PULSOUT 13,850</p><p>　　PULSOUT 12,850</p><p><b>　　PAUSE 20</b></p><p><b>　　NEXT</b></p><p><b>　　RETURN</b>

42、</p><p><b>　　BACK:</b></p><p>　　FOR i=0 TO 40</p><p>　　PULSOUT 13,650</p><p>　　PULSOUT 12,850</p><p><b>　　PAUSE 20</b></p>&

43、lt;p><b>　　NEXT</b></p><p><b>　　RETURN </b></p><p>　　當(dāng)然在設(shè)計(jì)控制程序的時(shí)候遠(yuǎn)非這么簡單的事情，需要用到這些函數(shù)的復(fù)雜組合，并且這些函數(shù)還不能足夠滿足要求，這時(shí)候我們需要用到C語言的支持，由于函數(shù)不是此文重點(diǎn)，在此就不作深入討論。</p><p><b

44、>　　4.參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]洪嘉振《理論力學(xué)》，高等教育出版社，2007</p><p>　　[2]Katsuhiko Ogata Modern Control Engineering (Fourth Edition),2006</p><p><b>　　5.致謝</b></p>&l