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载人自平衡独轮车的控制系统研究
| 论文题名： | 载人自平衡独轮车的控制系统研究 |
| 关键词： | 自平衡独轮车;动力学模型;卡尔曼滤波;控制系统;硬件设计;软件程序 |
| 摘要： | 随着城市交通拥堵问题和大气污染问题越来越严重，携带方便、小巧灵活、低碳环保的载人自平衡独轮车逐渐成为人们出行的一种选择。载人自平衡独轮车可以认为是自平衡独轮机器人在载人交通工具领域的应用扩展，同时其原始模型是倒立摆模型，所以对其研究具有重要的理论和实践意义。 通过对国内外关于自平衡独轮机器人和载人平衡车的研究现状的分析，本文研究设计了一款载人自平衡独轮车，主要通过动力学建模、姿态融合算法、平衡控制算法、电机控制方法、软硬件设计和实验测试等方面展开研究。 根据自平衡独轮车的运动特点，采用牛顿力学方法，建立动力学模型并进行仿真验证。对独轮车动力学模型进行特性分析，为后续控制系统的研究提供一定的理论基础。 准确的姿态信息是独轮车实现自平衡的前提，选用MPU6050六轴传感器实时检测独轮车的角度和角速度信息，然后利用卡尔曼滤波算法对检测的姿态信息进行滤波融合。 平衡控制算法是独轮车实现自平衡的关键，分别研究线性的 PID控制算法和非线性的模糊控制算法，并通过仿真得到这两种算法对独轮车模型的控制效果。仿真结果表明，模糊控制算法下，独轮车恢复平衡状态的时间更短，而且在恢复平衡过程中波动更小。 电机控制方法是独轮车正常运转的基础，研究无刷直流电机的基本组成和工作原理，根据无刷直流电机利用电子方式进行换相的特点，得到相应的电机驱动电路以及电机控制程序的设计要求。 根据自平衡独轮车的工作原理和控制要求，设计独轮车的硬件系统和软件系统。在硬件系统设计中，选择STM32微控制器作为控制芯片，并搭建各功能电路。在软件系统设计中，编写系统各功能部分的初始化子程序以及各算法的程序。 最后，制作电路板，组装独轮车的实验样机，进行电路调试和软件调试，对研究的平衡控制算法进行实验验证并分析，得出模糊控制算法具有更好的控制效果。 |
| 作者： | 叶秀敏 |
| 专业： | 电子与通信工程 |
| 导师： | 董林玺 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 杭州电子科技大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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