兩輪自平衡載具的設(shè)計(jì).pdf

1、兩輪自平衡載具具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的前景，已成為機(jī)器人研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)。在對(duì)國(guó)內(nèi)外兩輪自平衡載具的研究成果進(jìn)行總結(jié)和歸納的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種兩輪自平衡載具。該載具的兩側(cè)各裝有一個(gè)直流無(wú)刷輪轂電機(jī)，使用者可以站立在載具的腳踏板上，通過(guò)改變身體重心來(lái)操作載具前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。
　　所設(shè)計(jì)的載具包括機(jī)械和電路兩部分。在設(shè)計(jì)載具的電路時(shí)秉持模塊化的思想，將該電路分為主控制電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，兩者均采用Cortex-M內(nèi)核的處理器。主控

2、制電路測(cè)量載具的運(yùn)行姿態(tài)后，根據(jù)控制算法計(jì)算出電機(jī)所需的輸出轉(zhuǎn)矩，再將指令發(fā)送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，控制無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。給出了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的測(cè)試波形，證明該驅(qū)動(dòng)器能實(shí)現(xiàn)電子換向和閉環(huán)調(diào)速。在設(shè)計(jì)載具的機(jī)械本體時(shí)，從安全、舒適和簡(jiǎn)單的角度出發(fā)，討論了載具的搭乘和操作方案，接著給出了載具的設(shè)計(jì)圖及裝配圖。
　　使用陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量載具的運(yùn)行姿態(tài)。因?yàn)橥勇輧x存在漂移問(wèn)題，加速度計(jì)動(dòng)態(tài)性能差，所以單獨(dú)使用其中任何一種傳感器都不能準(zhǔn)確測(cè)量載具的運(yùn)

3、行姿態(tài)。為了滿足測(cè)量要求，同時(shí)使用陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量載具姿態(tài)，并提出了一種濾波和數(shù)據(jù)融合算法，以彌補(bǔ)兩者在測(cè)量載具姿態(tài)時(shí)的不足。通過(guò)搭建測(cè)試平臺(tái)并實(shí)驗(yàn)，證明該算法能較準(zhǔn)確地?cái)M合出載具的姿態(tài)。
　　針對(duì)載具的平衡和轉(zhuǎn)向問(wèn)題，分別建立了數(shù)學(xué)模型并設(shè)計(jì)控制算法。一方面設(shè)計(jì)了一種參數(shù)自整定控制算法，可根據(jù)載具的俯仰姿態(tài)計(jì)算出兩側(cè)電機(jī)的共模調(diào)速指令，實(shí)現(xiàn)平衡控制。另一方面根據(jù)載具的偏航姿態(tài)，使用PID控制算法控制兩側(cè)電機(jī)的差模調(diào)速信號(hào)，實(shí)