双轮自平衡小车小车开题报告.doc

Harbin University Of Science And Technology

科研训练开题报告

两轮自平衡车系统设计

学校：哈尔滨理工大学
学院：自动化学院
专业：电子信息科学与技术
班级：电技11-1
姓名：邓敏
学号：1112020103
日期：2014.12.08

项目名称
两轮自平衡系统设计
项目类型
科研训练
起止时间
2014 年 12 月 8 日 至 2014 年 12 月 27日
指 导 教 师
姓名
徐军
职务/职称
教授
姓名
马静
职务/职称
副教授
姓名
刘燕
职务/职称
讲师
一、立项依据
1.1 研究目的及意义
近年来，两轮自平衡小车的研究开始在美国、日本、瑞士等国得到迅速的发展。建立了多个实验原机型，提出来众多解决平衡控制的方案，并对原机型的自动平衡性能与运动特性进行了验证。通过对两轮自平衡系统的改造，可快速方便的应用到众多环境中去，如承载、运输、代步等。这其中蕴藏着巨大的商机，相应有些国外公司现在已经推出了商业化产品，并且已经投放到了市场。
两轮自平衡小车两轮共轴、独立驱动、车身重中心位于车轮轴上方，通过运动保持平衡，可以直立运动，因为特别的结构，它对于地形的变化有很强的适应能力，有着良好的运动性能，能够在比较复杂的环境里面的工作，和传统的轮式移动机器人相比较，两轮自平衡小车有着以下的几个优点：（1）能够实现在原地回转和任意半径的转向，有更加灵活易变的移动轨迹很好地弥补了传统多轮布局的缺点；（2）具有占地面积小的优点，能够在场地面积很小或者要求灵活运输的场合上使用；（3）车的结构上有很大的简化，可以把车做的更轻更小；（4）有着较小的驱动功率，能够让电池长时间供电，为环保型轻车提供了一种新的概念；（5) 机器人的平衡是个动态过程；机器人在平衡点附近不停地变化进行调节以保持平衡；（6) 重心的高度对小车运动和硬件设计的限制小。多轮(三轮或以上)移动小车虽然可以稳定地平衡，可是重心过高则小车启动或急停时，有倾倒的危险。因此重心必须要求很低，设计时总是拉大小车的水平截面积，降低高度。这样会造成小车体积变大，质量增加，某些功能会受到限制。两轮自平衡移动小车却无这方面的约束，重心的高低引起的不平衡已经通过动态平衡原理解决。因此重心的高低无严格限制，节省占地面积，可用在场地面积较小或要求灵活运输的场合；（7) 驱动功率较小，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。鉴于这些特点，两轮自平衡小车有着相当广泛的应用前景。
两轮自平衡小车是一个集动态决策和规划、环境感知、行为控制和执行等多种功能于一体的综合复杂系统，其关键是在解决自平衡的同时，还能够适应在各种环境下的控制任务。通过运用外速度传感器、角速度传感器等，可以实现小车的平衡自主前进。
近十年来，两轮自平衡机器人引起同外许多研究机构和机器人爱好者极大关注，各种基于不同目的、不同设计方案和控制策略的自平衡系统相继而生。在这方面国外的研究比较超前，研制出了一些具有代表性的机器人。
设计出一款可以独立行走的双轮自平衡小车，一个集动态决策和规划、环境感知、行为控制和执行等多种功能于一体的综合复杂系统，其关键是在解决自平衡的同时，还能够适应在各种环境下的控制任务。通过运用外速度传感器、角速度传感器等，可以实现小车的平衡自主前进。

1.2 国内外研究现状及发展动态
两轮自平衡小车自问世以来，迅速成为研究各种控制理论的理想平台，具有重大的理论意义，这要归功于她不稳定的动态性能和系统所具有的非线性。
早在1 986年，日本电通大学教授山藤高桥最先提出了两轮自平衡机器人的概念，并制造了一个在导轨上的两轮倒立摆机器人。这个基本的概念就是用数字处理器来侦测平衡的改变，然后以平行的双轮来保持机器的平稳。这款被山藤高桥称为平行自行车的机器人开创了两轮自平衡机器人研究的先河。
美国Segway LLC公司开发的Segway HT两轮平台电动车把人们从传统的“ 三点平衡 ”和以低重心、大商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述度．用适当的回复转矩来避免倾刳摔倒。系统利用5个惯性比率传感器(陀螺仪)、2个倾角侍感器、电机编码器和一世光学脚垫传感嚣把系统的的状态提供给了控制器，控制器经过运算确定输入给电机的能量大小。
近十年来，两轮自平衡机器人引起同外许多研究机构和机器人爱好者极大关注，各种基于不同目的、不同设计方案和控制策略的自平衡系统相继而生。在这方面国外的研究比较超前，研制出了一些具有代表性的机器人，国内的研究基本上处于理论研究与实践的初期，只开发出了少数的实验原型机。
中国科学技术大学自动化系和力学系多位教授、博导、博士、硕士研究生和本科生联合研制完成的科研成果，又名自平衡电动代步车，是实用的两轮自动平衡车，己能实用化，两轮自平衡机器几是将倒立摆原理移植到移动机器人上的概念。关于倒立摆的研究多年来国内外已经研究非常成熟，其文献也相当之多，然而更重要的是如何将倒立摆有效地应用在移动机器人上。
以上是国内外两轮自平衡小车的研究现状，这些小车都对本课题的研究提供了很好的指导作用。然而，这些机器人的有关资料中并没有对机器人速度控制的详细介绍。

二、项目研究内容、研究目标以及拟解决的关键技术问题
2.1 项目研究内容
1) 两轮自平衡小车物理实体的设计，各部分之间的硬件连接，搭建。
2) 小车角速度传感器，加速度传感器对自身信息的采集，并实现采集的信息对单片机进行传送。
3）单片机软件的设计，实现对小车的信息采集控制。
2.2 研究目标
设计一款可以独立行走的双轮自平衡小车，一个集动态决策和规划、环境感知、行为控制和执行等多种功能于一体的综合复杂系统，其关键是在解决自平衡的同时，还能够适应在各种环境下的控制任务。通过运用外速度传感器、角速度传感器等，可以实现小车的平衡自主前进。
2.3 拟解决的关键技术问题
两轮自平衡小车是一个集动态决策和规划、环境感知、行为控制和执行等多种功能于一体的综合复杂系统，其关键是在解决自平衡的同时，还能够适应在各种环境下的控制任务。通过运用外速度传感器、角速度传感器等，可以实现小车的平衡自主前进。技术关键：① 测量小车的姿态、速度等；② 使用处理芯片对姿态信息进行处理；③ 使用控制芯片，用模糊控制方法控制小车。主要技术指标：在一定角度内实现平衡，受外界一定干扰能自主恢复平衡等。
两轮自平衡机器人系统是一个复杂的机电系统，设计两轮自平衡机器人需要设计其机械系统、电系统及软件。而电系统是包括控制处理器、传感器、执行机构和电源的一个复杂系统。软件设计需设计机器人的工作流程。因此要设计一个完整的两轮自平衡机器人系统就需要对这些部分分别进行设计并整合，才能完成两轮自平衡机器人系统的设计。
系统设计包括软件设计和硬件设计，采用卡尔曼算法的初值计算方法及实际应用，双轮自平衡小车的PID控制。

三、研究方案、技术路线
3.1 小车动态平衡的基本原理如下图一所示：

图一 动态平衡原理图
两轮自平衡机器人系统是一个复杂的机电系统，设计两轮自平衡机器人需要设计其机械系统、电系统及软件。而电系统是包括控制处理器、传感器、执行机构和电源的一个复杂系统。软件设计需设计机器人的工作流程。因此要设计一个完整的两轮自平衡机器人系统就需要对这些部分分别进行设计并整合，才能完成两轮自平衡机器人系统的设计。
3.2 两轮自平衡机器人机械系统设计
两轮自平衡机器人结构上最显著的特点在于其只有两个轮子，而且这两个轮子要同轴安装分别驱动。当然，一个完整的两轮自平衡机器人还包括控制处理器、传感器、执行机构、电源等期间。如何将这些系统部件合理地安装在一起，需要机械结构系统的设计。这部分的设计由具体安装时根据不同模块的轻重来安排设计，总体上让小车承受的重力基本平衡即可。
3.3 两轮自平衡机器人电系统设计
两轮自平衡小车要完成其自平衡的功能，首先需要有其感知器官，感知自身的姿态，例如，倾角、倾角速度等，得到这些信息需要选择一些合适的传感器。而传感器检测到的信号，需要一个数字处理中心来接收处理，才能成为有用的信息。因此还需要选择一个嵌入式的处理器。在嵌入式处理器中，不仅仅要处理来自传感器的信息，还要对这些信息综合分析得出维持机器人平衡的需要采取的措施，因此选择的嵌入式处理器不仅仅担负着信息采集的任务，还扮演着作为控制器的角色。最后，需要有执行机构在控制周期内去执行处理器做出的判断。因此，在两轮自平衡机器人电系统的设计中，处理器、传感器、以及执行机构的选择是至关重要的。
本设计中选用预计采用加速的传感器，角速度传感器，进行采集小车当前的平衡状况，再把这些信息传送到主控制器52单片机中。单片机对这些信息进行实时的处理。再把这些信息的处理结果传送给电机驱动器，控制电机转速转向，由此来达到小车自身的平衡。由此可以看出小车的平衡过程是动态的。具体设计框图二如示：
51单片机

电源模块
电机驱动模块

传感器模块

图二 系统框图

四、项目特色与创新之处
特色：（1）能够实现在原地回转和任意半径的转向，有更加灵活易变的移动轨迹很好地弥补了传统多轮布局的缺点；（2）具有占地面积小的优点，能够在场地面积很小或者要求灵活运输的场合上使用；（3）车的结构上有很大的简化，可以把车做的更轻更小；（4）有着较小的驱动功率，能够让电池长时间供电，为环保型轻车提供了一种新的概念；（5)机器人的平衡是个动态过程；机器人在平衡点附近不停地变化进行调节以保持平衡；（6)重心的高度对小车运动和硬件设计的限制小。多轮(三轮或以上)移动小车虽然可以稳定地平衡，可是重心过高则小车启动或急停时，有倾倒的危险。因此重心必须要求很低，设计时总是拉大小车的水平截面积，降低高度。这样会造成小车体积变大，质量增加，某些功能会受到限制。两轮自平衡移动小车却无这方面的约束，重心的高低引起的不平衡已经通过动态平衡原理解决。因此重心的高低无严格限制，节省占地面积，可用在场地面积较小或要求灵活运输的场合；（7)驱动功率较小，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。
创新之处：利用惯性技术、模糊控制使两轮小车保持平衡，国内外都有一定的研究。本作品旨在前人的研究基础上，加上了自己的一些创新技术，使自己设计的小车满足一定场合的要求。创新点：使用MEMS陀螺、加速度计来测姿、测速等，采用模糊控制来控制小车，实现小车的平衡。 　　

五、进度安排
1、2014年12月08 日 参加科研训练开题报告会，确定科研训练题目
2、2014年12月09 日 准备完成开题报告书
3、2014年12月10 日 完成科研训练开题报告书
4、2014年12月11 日 电路板焊接
5、2014年12月15 日 结构设计与调
6、2014年12月17 日 硬件电路调试
7、2014年12月19 日 软件调试
8、2014年12月23 日 联合调试
9、2014年12月25 日 综合测试
10、2014年12月27日 答辩与成绩评定

六、预期成果
设计一款可以独立行走的双轮自平衡小车,并完成报告总结。

七、成绩评定

指导教师签字：

年 月 日