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一种两轮自平衡移动平台的设计与实现

作　者: 李斌斌
导　师: 闵华清; 奉继承
学　校: 华南理工大学
专　业: 软件工程
关键词: 两轮自平衡移动机器人倒立摆模糊PID控制
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 54次
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内容摘要

微电子机械技术与集成电路技术的发展推动移动轮式机器人感知系统与决策系统的更新换代，当然在蓬勃发展的同时也面临着应用环境和待处理的任务越来越复杂的问题。相对于多轮移动机器人，两轮移动机器人具有显著的优点。首先这类机器人结构更简洁。其次，这类机器人的质量更轻，占用的空间也更小。第三，两轮机器人的回转半径要小得多，可以实现原地回转与任意半径的转向。第四，两轮移动机器人只需要用强力的驱动能力配合一定的前进角度就可以轻松的跨越障碍。鉴于以上优点，本文设计并实现了一种非载人，但可以自平衡，同时可根据用户在上位机设置的指令进行运动控制的两轮自平衡移动平台，该平台具有良好的扩展性与鲁棒性。移动平台添加智能传感器与处理器之后，就可以被设置成导航机器人，可应用于大型科技场馆、大型超市、医院、银行、博物馆等地。设计的移动平台是两轮自平衡服务机器人的基础平台，它能自动检测当前自身的倾斜信息，能根据倾斜的角度与角度变化率来调节力矩的输出，从而达到平衡的目的。该移动平台与上位机之间进行的数据、指令交互，是通过自主设计的通信协议来保障的。利用设计的通信协议，用户就能实时地监测平台的运行状态，也可通过上位机软件来操控平台。移动平台的力矩控制是通过电流PI闭环控制无刷直流电机实现的。在电流PI闭环控制中，设计了FIR滤波器对反馈电流进行滤波。这样能使输出的力矩更精确，同时保证了PI闭环控制的鲁棒性。在倾角获取方面，本文采用了卡尔曼滤波算法来实现两轮自平衡移动平台倾角的精确获取，并设计了对照实验，验证了卡尔曼滤波算法的有效性。对于两轮自平衡移动平台的运动控制策略的抉择，本文将模糊控制理论与PID控制技术相结合，采用了基于移动平台特性的模糊PID控制算法。本文设计的两轮自平衡移动平台有两种工作模式，其中遥控模式是借助上位机完成的。设计的上位机与移动平台之间的通信协议比较特殊，协议中数据包的校检状态机设计的较为全面，能有效的降低数据包的错误率。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第一章绪论  10-19
  1.1 课题背景  10-12
  1.2 国内外研究状况  12-17
    1.2.1 国外研究状况  12-14
    1.2.2 国外经典两轮机器人  14-16
    1.2.3 国内研究状况  16-17
  1.3 主要研究内容  17-18
  1.4 论文编排  18-19
第二章系统建模与硬件设计  19-32
  2.1 系统运动学模型  19-24
  2.2 系统总体结构  24-26
  2.3 硬件选型  26-31
  2.4 本章小结  31-32
第三章力矩控制  32-48
  3.1 电流环控制原理  32-33
  3.2 无刷直流电机驱动  33-35
  3.3 电机电流采集与滤波  35-43
    3.3.1 巴特沃斯滤波器  36-37
    3.3.2 FIR滤波器  37-43
  3.4 电流环控制器  43-47
    3.4.1 控制器设计  43-45
    3.4.2 控制器性能测试  45-47
  3.5 本章小结  47-48
第四章姿态传感器数据融合  48-58
  4.1 姿态传感器  48-50
  4.2 姿态估计  50-57
    4.2.1 复合互补滤波  50-53
    4.2.2 卡尔曼滤波算法  53-57
  4.3 本章小结  57-58
第五章运动控制  58-65
  5.1 模糊控制  59-60
  5.2 模糊PID控制  60-64
    5.2.1 模糊PID控制器设计  61-63
    5.2.2 控制器性能测试  63-64
  5.3 本章小结  64-65
第六章移动平台系统实现  65-74
  6.1 通信协议设计  65-70
    6.1.1 发送命令  66-68
    6.1.2 响应命令  68-70
  6.2 系统工作流程  70-72
  6.3 系统测试  72-73
  6.4 本章小结  73-74
总结与展望  74-75
参考文献  75-77
硕士期间发表学术论文  77-78
致谢  78-79
附件  79

一种两轮自平衡移动平台的设计与实现

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