載人自平衡獨(dú)輪車的控制系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著城市交通擁堵問題和大氣污染問題越來越嚴(yán)重，攜帶方便、小巧靈活、低碳環(huán)保的載人自平衡獨(dú)輪車逐漸成為人們出行的一種選擇。載人自平衡獨(dú)輪車可以認(rèn)為是自平衡獨(dú)輪機(jī)器人在載人交通工具領(lǐng)域的應(yīng)用擴(kuò)展，同時(shí)其原始模型是倒立擺模型，所以對(duì)其研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。
　　通過對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于自平衡獨(dú)輪機(jī)器人和載人平衡車的研究現(xiàn)狀的分析，本文研究設(shè)計(jì)了一款載人自平衡獨(dú)輪車，主要通過動(dòng)力學(xué)建模、姿態(tài)融合算法、平衡控制算法、電機(jī)控制方法、軟硬件設(shè)計(jì)

2、和實(shí)驗(yàn)測(cè)試等方面展開研究。
　　根據(jù)自平衡獨(dú)輪車的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，采用牛頓力學(xué)方法，建立動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。對(duì)獨(dú)輪車動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行特性分析，為后續(xù)控制系統(tǒng)的研究提供一定的理論基礎(chǔ)。
　　準(zhǔn)確的姿態(tài)信息是獨(dú)輪車實(shí)現(xiàn)自平衡的前提，選用MPU6050六軸傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)獨(dú)輪車的角度和角速度信息，然后利用卡爾曼濾波算法對(duì)檢測(cè)的姿態(tài)信息進(jìn)行濾波融合。
　　平衡控制算法是獨(dú)輪車實(shí)現(xiàn)自平衡的關(guān)鍵，分別研究線性的 PID控制算法和非線性

3、的模糊控制算法，并通過仿真得到這兩種算法對(duì)獨(dú)輪車模型的控制效果。仿真結(jié)果表明，模糊控制算法下，獨(dú)輪車恢復(fù)平衡狀態(tài)的時(shí)間更短，而且在恢復(fù)平衡過程中波動(dòng)更小。
　　電機(jī)控制方法是獨(dú)輪車正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，研究無刷直流電機(jī)的基本組成和工作原理，根據(jù)無刷直流電機(jī)利用電子方式進(jìn)行換相的特點(diǎn)，得到相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及電機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)要求。
　　根據(jù)自平衡獨(dú)輪車的工作原理和控制要求，設(shè)計(jì)獨(dú)輪車的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇S