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原文传递坐式两轮自平衡车的系统研究

论文题名：	坐式两轮自平衡车的系统研究
关键词：	两轮自平衡电动车;数字PID控制;卡尔曼滤波;复杂可编程逻辑器件;MEMS传感器;电机设计
摘要：	两轮自平衡电动车具有运动灵活、智能控制、操作简单、节省能源、绿色环保、转弯半径为0等优点。适用于在狭小空间内运行，能够在大型购物中心、国际性会议或展览场所、体育场馆、办公大楼、大型公园及广场、生态旅游风景区、城市中的生活住宅小区等各种室内或室外场合中作为人们的中、短距离代步工具。由于两轮自平衡车在理论上属于非完整约束系统，载体也不相同，因此从控制理论角度来看属于变载荷的非线性系统，具有很高的理论研究价值和应用价值，成为近期的研究热点。　　论文首先详细介绍了两轮自平衡车系统组成，设计了两轮自平衡车的机械系统，分析了设计的要点，着重介绍了控制系统的硬件电路设计，对每个组成部分进行逐一介绍。　　然后对两轮自平衡车的关键部分--电机驱动系统进行设计。通过原理分析，确定了系统的设计方案，选择合理控制器电路，以CPLD和STM32为核心设计电机的测速与换相系统。通过仿真分析，验证系统的合理性和可靠性。同时给出了供电电路的设计和AD采样电路接口设计并验证了其合理性。考虑到本设计当中的串口用的比较多，还给出了独立的串口模块的设计并验证了其合理性。考虑到倒车时需要保持车距以确保人身安全，所以增加了超声波测距仪的设计并验证了其合理性。最后考虑到车体转向的需要，还增加了方向盘电路并验证了其合理性。　　两轮自平衡车通过车体的倾斜角度的大小控制车体的状态，论文的第三部分设计车体倾角测量系统。针对MEMS陀螺仪和加速度计精度低漂移大的缺点，采用卡尔曼滤波器对采集的MEMS惯性传感器信号进行滤波和信息融合，实现了倾角的准确测量。　　最后对两轮自平衡车的控制算法进行研究。根据模型简化，以一级倒立摆模型为参照，通过改进的数字PID控制器实现了两轮自平衡车的平衡，水平加速度和车体位置的控制，并通过仿真验证和实际运行试验，验证算法的有效性和可行性。
作者：	吴广鑫
专业：	精密仪器及机械
导师：	艾晓庸
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文