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目录
第一章绪论1
1.1课题背景1
1.2两轮自平衡小车的研究意义1
1.3两轮自平衡小车的研究现状2
1.4自平衡电动车的分类和构成5
1.5本文研究内容6
第二章自平衡电动车运动学的建模与分析7
2.1平衡原理及模型假设7
2.2受力分析与运动分析7
2.3MATLAB建模与结果11
2.4本章小结14
第三章控制系统设计15
3.1硬件选择与电路设计15
3.2控制策略20
3.3本章小结23
第四章自平衡电动车车体部分设计24
4.1总体设计24
4.2悬架设计25
4.3本章小结25
结论和心得26
参考文献27
致谢28
第一章绪论
1.1课题背景
近年来,随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛,所面临的环境和任务也越来越复杂。
机器人经常会遇到一些比较狭窄,而且有很多大转角的工作场合,如何在这样比较复杂的环境中灵活快捷地执行任务,成为人们颇为关心的一个问题。
单轴双轮自平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的,进而增添载人功能,就出现了双轮共轴代步车的概念。
1.2两轮自平衡小车的研究意义
两轮自平衡小车是移动机器人研究中的一个重要领域。
移动机器人技术随着计算机技术、软件技术、微电子技术、材料技术等相关领域的进步而发展,同航天技术一样,机器人的发展水平甚至代表了一个国家的综合科技实力。
两轮自平衡机器人两轮共轴、独立驱动、车身中心位于车轮轴上方,通过运动保持平衡,可直立行走。
由于特殊的结构,其适应地形变化能力强,运动灵活,可以胜任一些复杂环境里的工作。
传统轮式移动机器人多以具有导向轮的三轮或四轮小车布局,与之相比,两轮自平衡机器人主要有如下优点:
1.实现原地回转和任意半径转向,移动轨迹更为灵活易变,很好的弥补了传统多轮布局的缺点;
2.减少了占地面积,适用于在场地面积较小或要求灵活运输的场合;
3.大大的简化了车体结构,可以把机器人做的更小更轻;
4.驱动功率也较小,为电池长时间供电提供了可能,为环保轻型车提供了一种新的思路。
两轮自平衡机器人是一个集环境感知,动态决策与规划,行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统,是动力学理论和自动控制理论与技术相结合的研究课题,其关键是解决在完成自身平衡的同时,还能够适应各种环境下的控制任务。
利用外加的红外传感器、速度传感器、倾角传感器、防碰撞开关等,来实现小车的自主避障、跟踪、路径规划等复杂功能。
同时,两轮自平衡小车还是一个不稳定机器人动力学系统,其动力学方程是一多变量、耦合、时变的非线性高阶方程,加上运动学方程中的非完整约束,要求完成的任务也具有多重性。
因此,两轮自平衡小车是一个具体的实现起来相对简单的复杂系统,是检验各种控制方法处理能力的典型装置,受到世界各国科学家的重视。
在此实验系统上可以运用多种方法进行控制,比如在本文要用的变结构控制,此外还有模糊控制、神经网络控制、智能控制、自适应控制等,系统具备复杂系统的特点,但其本身又不很复杂,价格低廉,占地面积小,是很有潜力的实验工具。
其次建立在自2两轮自平衡小车软硬件研发与基于模糊线性化模型的变结构控制研究平衡基础之上的两轮小车的其他性能,例如复杂环境下的导航,拐角的转弯等问题也极有可能解决在工业生产和社会生活中的许多问题。
1.3两轮自平衡小车的研究现状
近年来,国内外多家科研单位和企业以及自平衡代步车的爱好者都对自平衡理论的发展做出了许多有益的贡献,大大推进了自平衡技术的发展同时也出现了一批有代表性的自平衡机器人和载人代步车作品。
2002年,美国Lego公司的SteveHassenplug设计了如图1.1所示的两轮自平衡传感式机器人Legway,这个设计引入了电机的差动驱动方式,它可以工作在倾斜面甚至不规则表面上,可遥控操作。
通过对电动机进行遥控,Legway可以在前行、后退和转弯时保持平衡,可以实现零半径转弯和U型回转。
2007年,日本稻田大学的RyoWatanabe在Legway的启发下设计制作了NXTway,如图1.2所示。
2002年,三洋电机展示了可依靠上体倒立来保持平衡的双轮行走机器人“FLATHRU”,如图1.3所示,大小为602*463*564mm,重20Kg,运行时间约为1小时。
车轮中嵌有一个输出功率为90W的直流电动机,头部则嵌入了两个相同的电动机。
为了检测上体的平衡情况,使用了3个陀螺仪和1个3轴加速度传感器.。
深圳固高科技有限公司研制的教学用自平衡小车,如图1.4所示,大小为260*450*730mm,使用85W减速比10:
1的直流伺服电机,最大移动速度1.6m/s,24V镍氢电池供电,电源持续工作时长大于1.5小时,最大爬坡度20度。
2002年,美国Segway公司开发了世界上第一部能够自平衡的两轮电动车,时速高达20km/h,如图1.5所示,该电动车把人们传统的“三点平衡”和以低重心、大而稳的底盘设计来避免倾斜的束缚中解脱出来,通过检测车体的角度和角速度,用适当的回复转矩来避免倾斜摔倒。
Segway使用的是航空级陀螺仪、一组倾斜传感器、一套复杂的“直觉软件”、一个加速度计、十个微处理器、两个镍氢电池组、一台电动机和每秒检测一百多次驾驶者重心的传感器。
Segway共有五个陀螺仪传感器,其中三个用来检测前后和左右方向的倾斜,另外两个传感器作为富余,以增加安全性。
传感器搜集的信息被传送到主控芯片,它由两个电子控制器电路板构成。
电路板包括一个微处理器的集群,这种集群的运算效率是普通PC的3倍,以保证车身能得到及时而高度精确的微调来防止倾倒。
如果一个电路板出了毛病,另一个会立即接管所有的功能,以便让驾驶者能安全地停下。
在最高层次,主控芯片运行“直觉软件”控制Segway,软件会实时分析所有信息,调整电动机的速度。
2004年10月11日,赛格威发表了一辆名为“半人马号”(SegwayConceptCentaur)的四轮版概念车,是第一辆四轮的赛格威车。
SegwayConceptCentaur:
“半人马”是赛格威在2004年时推出的双人座四轮版概念车,外观上它非常像是一辆传统的沙滩车(All-TerrainVehicle,ATV),且的确拥有可以媲美一般沙滩车的越野能力与比一般的赛格威快很多的车速(接近40公里/小时),但是它仍然保持了赛格威车绝对不可少的动态稳定功能,因此很轻易地就可以做出前轮离地,只靠后轮著地站立的平衡姿势,还可以保持这姿态4两轮自平衡小车软硬件研发与基于模糊线性化模型的变结构控制研究进行原地旋转或加速前进、后退,与爬上落差很大的台阶之类普通ATV做不到的高级动作。
PersonalityBot是WowWee公司和Segway公司的合作成果,它结合了Segway公司的移动平衡系统以达到更好的竖立效果,在手臂的末端安装了两个球来代替传统的手掌,如果不小心摔倒了,它可以自行站立起来。
Segway的平衡设计使得P-Bot在背部载物的情况下,仍行动自如。
例如,你可以在其背部放一瓶水,它可以在地上走来走去,但不会让水滴下来。
2007年,美国麻省理工学院的几名学生设计制作了一台自平衡小车,如图1.6所示。
中心处理器采用PIC单片机,主程序采用频率达100HZ,传感器采用惯性元件陀螺仪和加速度计。
以上是国内外两轮自平衡代步车和自平衡机器人的研究现状。
这些机器人和代步车对本课题研究提供了很好的指导作用,提供了有力的参考。
1.4自平衡电动车的分类和构成
自平衡电动车结构主要有功能式(水平式)结构和行为式(垂直式)结构以及混合式结构。
功能式结构是典型的自顶向下构建系统的方法,它的控制方式根据信息的流向及行为功能,将机器人的控制过程分解成不同的功能模块,这些功能模块组成了一条闭环链,信息流由环境经由传感器进入,经规划决策处理后再经由执行机构返回环境,从而实施控制行为。
功能式结构的优点是系统构造层次清晰,模块功能易执行,并且较易实现高层次的智能行为。
缺点是在系统的每一控制行为都必须经过感知一建模一规划一执行等各模块,延时长,实时性差;另外,由于各模块串行连接,其中任一模块的故障直接影响整个系统的功能。
根据移动机器人的行为功能构造的控制体系结构,称为行为式结构。
这是一种自底向上的构建系统方法。
它将机器人行为的感知、规划、任务执行等过程封装成一个行为模块,例如将机器人的行为分为停车、跟踪、漫游、避
障等行为功能模块,每一行为实现传感器信息与机器人动作间的一种映射。
某一时刻,只有一种行为控制车体,机器人的最终行为由各行为模块之间的竞争实现。
这种控制结构的优点是易于实现实时控制,系统可靠性比较高;但由于各行为模块之间是松散连接,难于实现高层次的智能控制。
我们课题组首先设计了自平衡电动车的组成结构,相对比较简单,主要包含机械和控制两个部分。
其中机械部分是由两个车轮和轮胎、传动机构、底盘、摆杆组成的,它们构成了电动车的控制平台。
控制部分包括电机、传感器、电池、DSP控制电路板。
两轮电动车的机械部分具体介绍如下:
1)底盘:
固定在电动车底部的一块板,用来作为存放控制部分的容器和固定两台电机。
2)车轮和轮胎:
左右平行安装,用来支撑电动车的底盘。
3)摆杆:
固定在电动车的底盘上,垂直安装,以方便操作人员控制电动车。
4)传动机构:
即变速箱,具有6:
1的减速比,能够增大电机的输出转矩。
自平衡电动车的控制部分中的传感器我们这里采用的是陀螺仪,用来采集自平衡电动车的车体姿态信号,为控制系统提供质心倾斜角反馈值。
控制器采用TI公司生产的TMS320系列DSP芯片。
主要包括:
电池、DSP、控制电路板(包含一个数字信号处理器、电源转换电路、两套相同的电机控制电路)、陀螺仪和两台三相永磁同步电机
1.5本文研究内容
本文的主要研究内容包括:
1)自平衡电动车的运动仿真分析;
2)对自平衡电动车进行了硬件设计,选用正确的器件达到合理的配合。
做出自平衡电动车的设计任务说明书,画出总装图和零配件明细图。
3)自平衡电动车的控制系统设计。
4)自平衡电动车车体设计
第二章自平衡电动车运动学的建模与分析
2.1平衡原理及模型假设
两轮自平衡小车的想法来自于倒立摆,直线倒立摆的平面示意图如下图:
倒立摆示意图
摆只能在怕平面内运动,如果摆倒向左边,那么摆的底部就必须也向左边移动,以保持摆的竖直平衡,右边情况与左边类似。
两轮自平衡小车的情况与倒立摆类似,也需要类似的运动来保持车架的竖直平衡,如下图所示:
两轮自平衡车的平衡状态图(左)与非平衡状态图(右)
自平衡双轮电动车型式与Segway车类似,由电池组、两台驱动电机、两套齿轮减速机构、两轮,轴、承载骑乘者重量的平板、操纵杆和包含传感器在内的电机控制系统组成。
针对车子运动的实际情况,建立精确地数学模型。
我们首先做出如下假设:
1)车轮,车身为刚体。
2)不考虑驾驶员受到的外界干扰力。
3)不考虑车身上身与轮子之间的滑动摩擦力。
4)车轮与地面不打滑,车轮本身作纯滚动。
2.2受力分析与运动分析
按照设计,本次研究主要分析自平衡电动车在路况理想的状态下进行加速、匀速、减速三种情况的直线运动情况。
把自平衡电动车简化成两轮子和控制摆杆的模型,根据倒立摆原理平衡原理,我们做出其受力分析如下图所示:
直行状态下车轮与摆杆的受力分析
————滚动摩擦系数
f————静摩擦系数
M————电机输出扭矩
r————轮a半径
————干重心到轮中心距离
————轮a的质量
————杆C的质量
————杆c与垂直方向的角度
a————轮a角加速度
————轮a的转动惯量
————杆c的转动惯量
Fy————杆对轮轴的垂直压力
Fx————杆对轮轴的水平力
N————地面对轮支持力
变量:
、F、Fx、Fy、M、N、
a
杆自身做绕轴顺时针转动(幅度偏小),杆转动的角度大小与轮的角加速度大小有着正面的影响,当启动电动车时,驾驶者身体向前倾斜,通过驾驶者的身体姿态调整,不断改变电动车的质心倾斜角。
人体每向前倾斜一次,电动车的速度提升一次(与启动过程相似)。
当达到满意的速度后,保持身体姿态不动,摆杆处于倾斜
程度。
根据上述受力分析,有:
轮:
杆:
运动微分方程:
以上两式即为两轮电动车的数学模型。
该模型的特点是将电动机的运动方程以及传动机构考虑到系统的数学模型中去,直接以电机的电磁转矩与摆杆转动角度作为整个系统的输入变量,为我们进一步完成电动机的控制提供了方便。
以上主要是对自平衡电动车的非线性建模和线性系统的建模,建立了小车做直线运动的动力学方程。
根据系统的机构及参数。
自平衡电动车的平衡是通过驱动轮在水平方向上的加速度来控制小车的平衡的系统线性时不变状态方程。
2.3MATLAB建模与结果
建立系统的数学模型是研究系统控制方法的必要前提。
两轮电动车模型中所涉及的参数如下:
Mc=70,Ma=30,l=1,r=0.2,Ja=1.2,Jc=35,miμ=0.1,Kp=200,g=9.81,Kd=50,Ki=60
使用MATLAB7.0所建立电动车系统的非线性模型,如下图:
图中,1是我们算的
分母(两者分母相同),2是我们算的
表达式的分子,3为我们所得
表达式的分子。
在该模型的基础上,根据上面中介绍的参数整定方法调整PID控制器的参数,最终达到满意的控制效果。
Scope是显示器,计算出最终结果。
通过我们对运动微分方程的建模与分析,我们得到下图,它给出了两轮电动车系统在PID控制器的作用下完成直线运动启动、加速、减速过程的仿真结果。
如上图,我们看到仿真结果依次为摆杆角速度、摆杆绕轴转动角度、轮子角速度、轮子转动角度、轮子角加速度和电机扭矩M输出结果图。
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