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
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。
两轮自平衡小车毕业设计毕业论文 目录 1.绪论 (1) 1.1研究背景与意义 (1) 1.2两轮自平衡车的关键技术 (2) 1.2.1系统设计 (2) 1.2.2数学建模 (2) 1.2.3姿态检测系统 (2) 1.2.4控制算法 (3) 1.3本文主要研究目标与内容 (3) 1.4论文章节安排 (3) 2.系统原理分析 (5) 2.1控制系统要求分析 (5) 2.2平衡控制原理分析 (5) 2.3自平衡小车数学模型 (6) 2.3.1两轮自平衡小车受力分析 (6) 2.3.2自平衡小车运动微分方程 (9) 2.4 PID控制器设计 (10) 2.4.1 PID控制器原理 (10) 2.4.2 PID控制器设计 (11) 2.5姿态检测系统 (12) 2.5.1陀螺仪 (12) 2.5.2加速度计 (13) 2.5.3基于卡尔曼滤波的数据融合 (14) 2.6本章小结 (16) 3.系统硬件电路设计 (17) 3.1 MC9SXS128单片机介绍 (17) 3.2单片机最小系统设计 (19) 3.3 电源管理模块设计 (21) I
3.4倾角传感器信号调理电路 (22) 3.4.1加速度计电路设计 (22) 3.4.2陀螺仪放大电路设计 (22) 3.5电机驱动电路设计 (23) 3.5.1驱动芯片介绍 (24) 3.5.2 驱动电路设计 (24) 3.6速度检测模块设计 (25) 3.6.1编码器介绍 (25) 3.6.2 编码器电路设计 (26) 3.7辅助调试电路 (27) 3.8本章小结 (27) 4.系统软件设计 (28) 4.1软件系统总体结构 (28) 4.2单片机初始化软件设计 (28) 4.2.1锁相环初始化 (28) 4.2.2模数转换模块（ATD）初始化 (29) 4.2.3串行通信模块（SCI）初始化设置 (30) 4.2.4测速模块初始化 (31) 4.2.5 PWM模块初始化 (32) 4.3姿态检测系统软件设计 (32) 4.3.1陀螺仪与加速度计输出值转换 (32) 4.3.2卡尔曼滤波器的软件实现 (34) 4.4平衡PID控制软件实现 (36) 4.5两轮自平衡车的运动控制 (37) 4.6本章小结 (39) 5. 系统调试 (40) 5.1系统调试工具 (40) 5.2系统硬件电路调试 (40) 5.3姿态检测系统调试 (41) 5.4控制系统PID参数整定 (43) II
毕业设计（论文）开题报告 题目电动汽车充电对配电系统的影响学院自动化学院 专业电气工程与自动化专业 姓名 班级 学号 指导教师
一、综述本课题选题的依据和意义 2015年9月，关于充电桩的好消息频频传出，如国务院常务会议上提出加快电动汽车充电基础设施、电动汽车充电接口国家标准修订稿通过审查，以及国务院办公厅日前发布《关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见》，到2020年，我国将基本建成适度超前、车桩相随、智能高效的充电基础设施体系，满足超过500万辆电动汽车的充电需求。尤为引人关注的是，北京通信展举行期间，国务院副总理马凯称：国家准备将充电桩普及的任务交由铁塔公司负责。 随着时代的发展，汽车的普及，石油的消耗也日益增加，作为不可再生的石油资源，总有枯竭的一天，而且汽车尾气的排放对环境有很大的污染，所以利用电能替代石油，实现汽车尾气的零排放，将是未来汽车行业的发展趋势。截至2015年一月，从公开信息显示，目前杭州已经建成了70座充换电站、620个充电桩，其中杭州主城区投入运营的充换电站有27个。在杭州市区里，一辆新能源车要找到最近的充电站，只要开4.5公里。 国内外电动汽车在近几年的发展情况如下：经过2012和2013年的缓慢起步，全球电动汽车销量终于在2014年下半年爆发，全年销售已超过30万辆大关，中国新能源汽车品牌突飞猛进，比亚迪从2013年的第40名跃升至第七位，康迪电动车也挤进第十名。在2015年，全球电动汽车销售量达到40万辆左右。 随着电动汽车规模化应用,电网原有装机和线路容量是否能应对新增充电负荷需求,即在不扩大规模的情况下,如何提高原有电网利用率,增加容纳能力,同时最大限度降低充电负荷对电网的负面影响,在分析充电负荷特性基础上,针对电动汽车充电对电网各方面的影响,提出相应对策,将对电动汽车产业化进程具有重要的研究意义。 二、国内外研究动态 我国电动汽车起步较发达国家晚,但研究发展快。各汽车生产商进入研发电动汽车的行列,已经在促进电动汽车各方面技术发展方面取得有益的成见。由于配套设施等主要原因,家用电动汽车并没有广泛的推广开来，现有的电动汽车充电站主要对电动公交车和工程车辆进行充电。同时针对电动汽车充电站运行和电动汽车充电对配电网的研究仍然非常缺乏。电动汽车规模预测，用户充电行为的随机性,以及接入电网造成的影响和相应充电控制策略都没有一套成熟的模式和系统，以及对此的全面研究。 电动汽车对电网的影响，主要包括电网负荷特性影响、谐波影响、电压电流
两轮自平衡小车控制系统的设计 摘要：介绍了两轮自平衡小车控制系统的设计与实现，系统以飞思卡尔公司的16位微控制器MC9S12XS128MAL作为核心控制单元，利用加速度传感器MMA7361测量重力加速度的分量，即小车的实时倾角，以及利用陀螺仪ENC-03MB测量小车的实时角速度，并利用光电编码器采集小车的前进速度，实现了小车的平衡和速度控制。在小车可以保持两轮自平衡前提下，采用摄像头CCD-TSL1401作为路径识别传感器，实时采集赛道信息，并通过左右轮差速控制转弯，使小车始终沿着赛道中线运行。实验表明，该控制系统能较好地控制小车平衡快速地跟随跑道运行，具有一定的实用性。 关键词：控制；自平衡；实时性 近年来，随着经济的不断发展和城市人口的日益增长，城市交通阻塞以及耗能、污染问题成为了一个困扰人们的心病。新型交通工具的诞生显得尤为重要，两轮自平衡小车应运而生，其以行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。但是，昂贵的成本还是令人望而止步，成为它暂时无法广泛推广的一个重要原因。因此，开展对两轮自平衡车的深入研究，不仅对改善平衡车的性价比有着重要意义，同时也对提高我国在该领域的科研水平、扩展机器人的应用背景等具有重要的理论及现实意义。全国大学生飞思卡尔智能车竞赛与时俱进，第七届电磁组小车首次采用了两轮小车，模拟两轮自平衡电动智能车的运行机理。在此基础上，第八届光电组小车再次采用两轮小车作为控制系统的载体。小车设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械及能源等多个学科的知识。 1 小车控制系统总体方案 小车以16位单片机MC9S12XS128MAL作为中央控制单元，用陀螺仪和加速度传感器分别检测小车的加速度和倾斜角度[1]，以线性CCD采集小车行走时的赛道信息，最终通过三者的数据融合，作为直流电机的输入量，从而驱动直流电机的差速运转，实现小车的自动循轨功能。同时，为了更方便、及时地观察小车行走时数据的变化，并且对数据作出正确的处理，本系统调试时需要无线模块和上位机的配合。小车控制系统总体架构。 2 小车控制系统自平衡原理 两轮小车能够实现自平衡功能，并且在受到一定外力的干扰下，仍能保持直立状态，是小车可以沿着赛道自动循线行走的先决条件。为了更好地控制小车的行走方式，得到最优的行走路径，需要对小车分模块分析与控制。 本控制系统维持小车直立和运行的动力都来自小车的两个轮子，轮子转动由两个直流电机驱动。小车作为一个控制对象，它的控制输入量是两个电机的转动速度。小车运动控制可以分解成以下3个基本控制任务。 （1）小车平衡控制：通过控制两个电机正反方向运动保持小车直立平衡状态； （2）小车速度控制：通过调节小车的倾斜角度来实现小车速度控制，本质上是通过控制电机的转速来实现小车速度的控制。 （3）小车方向控制：通过控制两个电机之间的转动差速实现小车转向控制。 2.1 小车平衡控制 要想实现小车的平衡控制，需要采取负反馈控制方式[2]。当小车偏离平衡点时，通过控制电机驱动电机实现加、减速，从而抵消小车倾斜的趋势，便可以保持车体平衡。即当小车有向前倾的趋势时，可以使电机正向加速，给小车一个向前的加速度，在回复力和阻尼力的作用下，小车不至于向前倾倒；当小车有向后倾的趋势时，可以使小车反向加速，给小车一个向后的加速度，从而不会让小车向后倾倒，。
毕业设计（论文） 开题报告 题目：单片机控制单轴双轮自动平衡小车设计系别：电气工程系 专业：电气工程及其自动化 班级： 学号 学生姓名： 指导教师： 2016年 3月
中原工学院信息商务学院 毕业论文（设计）开题报告 论文（设计）题目单片机控制单轴双轮自动平衡小车 姓名系别电气工程系专业 班级 电气121学号6 1选题目的和意义： 平衡车是一个不稳定、强耦合、非线性系统，对平衡车的研究有利于我们更熟练得运用自动控制理论，并且发展更可靠稳定的控制方法。在实际应用中，平衡车由于体积小，灵活方便，不管是在军用或者民用领域都有广阔的应用空间，两轮自平衡小车可以作为一种小范围的移动式服务平台。通过本课题的研究学习，会使自己更加了解单片机，熟悉电子电路，提升自己的对整个设计的把握，更透彻的掌握自动控制方法。 2本选题在国内外的研究状况及发展趋势： 国外方面：JOE 是瑞士研制的用DSP和FPGA 控制并基于倒立摆理论双轮车。通过倾斜传感器和倾角传感器来检测车体。通过电机上的编码盘检测电机的速度。采用了基于状态反馈的线性控制策略，车的运动被分解成直线和旋转运动，然后分析直线运动和旋转运动，得到电机需要的控制量，最终把控制量耦合叠加。他主要的设计思想依然是：使车子朝车体倾斜的方向运动来保持车身的平衡。主控芯片是HC11 微处理器，此处理器是David P.Anderson 专门的针对nBot 车设计的。传感器在得到车的车身信息后，再比例整合，当作模糊控制器的输入，按照之前设定的控制原则得到两个电机需要的PWM 电压。该控制只能能让小车平衡运动，而不能让小车自主直立。Segway 拥有更多的姿态传感器，它有5个陀螺仪传感器，然而事实是检测车身前倾斜只需要3个传感器就够了，其他的两个传感器只是增加安全性。传感器的信息会被传送到一个电路板，这个电路板是微处理器的集群，效率是个人电脑的三倍。这个集群是为了保证本载人平衡车在其中任何一个处理器出现问题时能报告错误，给驾驶者以处理问题的时间余量，保证了平衡车的安全性。 国内方面：哈工大尹亮制作的双轮移动车Sway，车身倾斜度采用AD 推出的双轴加速度传感器ADXL202 及反射式红外线距离传感器来获得。基于PWM 动态控制直流电机的速度。车与上位机间的数据通信使用PTR2000 超小型超低功耗高速无线收发数传MODEM。人机交互界面使用图形液晶点阵、方向摇杆、按键。依靠这些可靠并且完备
项目名称：两轮自平衡小车 本设计采用微控制器，通过软件滤波和自动控制理论算法使得小车达到平衡状态。系统的传感器采用角度传感SCA61T，和陀螺仪采集小车车身的水平状态值和小车的加速度值。并且采用了LM298双桥大功率集成驱动芯片来驱动电机，无线遥控来控制小车的数据传输。依靠这些可靠的硬件设计，使用PID 闭环控制算法和卡尔曼滤波算法，使得整个硬件结构和软件系统能顺利匹配。从而使得小车能保持直立自平衡状态。详细介绍：单轴两轮自平衡小车系统设计说明书摘要：本设计采用ATMEL公司推出的MEGA 16 单片机作为“双轮直立自平衡小车”的微控制器，用以处理任意时刻传感器的数据；通过软件滤波和自动控制理论算法使得小车能够在任意时刻进行自我调整以达到平衡状态。该系统的传感器采用角度传SCA61T，和陀螺仪采集小车车身的水平状态值和小车的加速度值。并且采用了LM298双桥大功率集成驱动芯片来驱动...(查看更多)电机，无线遥控来控制小车的数据传输。依靠这些设备和可靠的硬件设计，我们使用了一套PID 闭环控制算法和比较稳定的卡尔曼滤波算法，使得整个硬件结构和软件系统能顺利匹配。从而使得我们的小车能保持直立自平衡状态。 关键词：微控制器卡尔曼滤波PID闭环控制 一、总体设计方案 （1）设计思路题目要求设计并制作一个单轴两轮自平衡小车。对于小车能保持平衡，直立行走。系统应该设置有测量倾角和加速度的模块。可以采用角速度传感器和陀螺仪测量出小车的倾角和加速度，并把数据传送给单片机处理。经过单片机处理数据和进行相应的补偿后，通过控制电机从而使小车保持在平衡状态。系统硬件结构 （2）方案论证与比较 1.微控制器选型 方案一：采用目前市场比较主流性能稳定价格低廉的AT8952单片机，AT8952单片机内部资源8K字节在系统可编程Flash存储器、全静态操作：0Hz～33MHz 、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、和一路可编程的PWM 输出。我们的系统一共用到两路独立的PWM输出，AT89S52只有一路硬件PWM 这样我们必须考虑用软件或硬件再产产生一路可调的PWM 才能满足我们系统的两个轮子调速的需求。考虑到系统整体的程序构思是一个很耗费CPU运行时间，所以我们排除了软件中断的方式在产生一路PWM ，节省了CPU 的程序运行时间的开销。值得我们考虑的只能用其他电机控制芯片+AT8952来控制我们的两个电机，后来我们考虑了NEC-SSOP30 这个电机控制芯片来产生两路PWM，该芯片是一颗强大的直流电机和步进电机的控制芯片，里面有三路可编程的直流电机PWM 输出通道和三路步进电机控制通道，和单片机通信接口，有SPI 总线接口和USAP 串口通信，但是考虑到NEC –SSOP30 芯片的指令周期是1.4MS ，不能实时性的更新系统的PWM 这样就会造成整个系统的不稳定。最重要的一点还有考虑到该系统是程序里面运行的是一些比较复杂的浮点数运算，对微控制器的内核得必须既有可靠稳定快速处理浮点数运算的性能，51内核是以冯诺依曼总线 结构对数据的处理和传输，因为我们都知道该结构使不能同时进取指令和举行指
线控两轮平衡车的建模 与控制研究 文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-
线性系统理论 上机实验报告 题目：两轮平衡小车的建模与控制研究 完成时间：2016-11-29 1.研究背景及意义 现代社会人们活动范围已经大大延伸，交通对于每个人都十分重要。交通工具的选择则是重中之重，是全社会关注的焦点。 随着社会经济的发展，人民生活水平的提高，越来越多的小汽车走进了寻常百姓家。汽车快捷方便、省时省力，现代化程度高，种类繁多的个性化设计满足了不同人的需求。但它体积大、重量大、污染大、噪声大、耗油大、技术复杂、使用不便、价格贵、停放困难，效率不高，而且还会造成交通拥堵并带来安全隐患。相比之下，自行车是一种既经济又实用的交通工具。中国是自行车大国，短距离出行人们常选择骑自行车。自行车确实方便，但在使用之前需要先学会骑车，虽然看似简单，平衡能力差的人学起来却很困难，容易摔倒，造成人身伤害。另外，自行车毕竟不适宜长距离的行驶，遥远的路程会使人感到疲劳。 那么，究竟有没有这样一种交通工具，集两者的优点于一身呢？既能像汽车一样方便快捷又如自行车般经济简洁，而且操作易于掌握，易学又易用。两轮自平衡车概念就是在这样的背景下提出来的。 借鉴目前国内外两轮自平衡车的成功经验，本文提出的研究目标是设计一款新型的、结构简单、成本低的两轮自平衡车，使其能够很好地实现自平衡功能，同时设计结果通过MATLAB进行仿真验证。
2.研究内容 自平衡式两轮电动车是一个非线性、强耦合、欠驱动的自不稳定系统，对其控制策略的研究具有重大的理论意义。我们通过分析两轮平衡车的物理结构以及在平衡瞬间的力学关系，得到两轮车的力学平衡方程，并建立其数学模型。运用MATLAB 和SIMULINK 仿真系统的角度θ、角加速度? θ、位移x 和速度的? x 变化过程，对其利用外部控制器来控制其平衡。 3.系统建模 两轮平衡车的瞬时力平衡分析如图1所示。下面将分析归纳此时的力平衡方程[1-3]，并逐步建立其数学模型。 对两轮平衡车的右轮进行力学分析，如图2所示。 依据图2对右轮进行受力分析，并建立其平衡方程： =R R R R M X f H ? - (1) R R R R J C f R ??? =- (2) 同理，对左轮进行受力分析，并建立其平衡方程： =R L L L M X f H ? - (3) L L L L J C f R ??? =- (4) 两轮平衡车摆杆的受力分析如图3所示，由图3可以得到水平和垂直方向的平衡方程以及转矩方程。 水平方向的平衡方程： H H x R L p m +=? ? (5) 其中θsin L x x m p +=，则有：
目录 1 课题背景 (1) 1.1课题背景 (1) 1.2课题的目的和意义 (2) 2 文献综述 (2) 2.1国内外智能汽车发展状况 (2) 2.2基于不同避障方式的智能车 (3) 2.3智能车自动平衡技术现状 (4) 2.4智能车自动避障技术现状 (4) 2.5智能车路径计算和避障研究 (6) 3 研究方案 (8) 3.1研究内容及目标 (8) 3.2技术路线 (9) 3.3技术难点及解决办法 (10) 3.4创新之处 (10) 4 论文计划安排 (11) 4.1论文安排 (11) 4.2论文计划 (11) 参考文献 (12)
智能小车智能避障算法研究 机设104班 (10100872) 王立人 摘要：智能机器人是如今工程研究的热点，在工业和航空航天领域，智能车已作为一种重要的人力替代被广泛应用。本研究将在智能车能够双轮直立且自主循迹的基础上，通过自动控制方法来引导车辆前进，并通过控制系统避让行进过程中的障碍物。本研究结果将提供障碍物识别以及自动避障控制理论的新方法，为自主机器人的避障研究提供一些参考。最终实现两轮平衡车通过数字摄像头传感器在指定环境中上准确的判断路障并在一定速度下安全行驶。 关键字：智能车,障碍物识别,避障算法,控制系统 1 课题背景 1.1 课题背景 智能汽车的研究始于20世纪50年代初，美国Barrett Electronics公司开发出世界上第一台自动引导车辆系统（Automated Guided V ehicle System，AGVS）。与此同时，Basrrett 电子公司研制出牵引式小车系统，对钢丝索导引的路径进行跟踪。其后，美国国防部也将智能小车应用纳入其研究范畴中，NASA火星探测智能移动机器人Spirit和Opportunity都包含了路径跟踪内容；第三代军用智能汽车SmarTruck III能够利用光电信息技术探测，满足有路和无路条件下的车辆自动驾驶。在欧洲，20世纪80年代，意大利帕尔玛大学实验研制出ARGO实验车，配备有障碍物自主避让及跟踪系统。它借助于车前的视觉探测器实现障碍物检测避让和路径跟踪，是一种基于立体视觉的智能系统。在亚洲，日本60年代也开始了智能汽车的研究，其中Toyota公司推出了Lexus LS460智能泊车辅助系统，通过对前后座摄像头的图像进行处理，利用其结果来控制电子动力方向盘，从而命令其自主泊车。在我国，智能车的研究也在同步进行。清华大学智能技术与系统国家重点实验室研制的THMR系列机器移动车，其车载设备包括磁罗盘、摄像机、差分GPS、电子地图等等，以保证其控制系统能够接受自主驾驶和辅助驾驶。1996年，沈阳金杯汽车厂研制的6台用于汽车发动机装配用的自动引导小车，可以是说是中
2012年省电子竞赛设计报告 项目名称：自平衡小车 姓名：连文金、林冰财、陈立镔 指导老师：吴进营、苏伟达、李汪彪、何志杰日期：2012年9月7日
摘要： 本组的智能小车底座采用的是网上淘宝的三轮两个电机驱动的底座,主控芯片为STC89C52,由黑白循迹采集模块对车道信息进行采集,将采集的信息传送到主控芯片,再由主控芯片发送相应的指令到电机驱动模块L298N，从而控制电机的运转模式。 关键词： STC89C52 L298N 色标传感器 E18-F10NK 自动循迹 引言： 近现代，随着电子科技的迅猛发展，人们对技术也提出了更高的要求。汽车的智能化在提高汽车的行驶安全性，操作性等方面都有巨大的优势，在一些特殊的场合下也能满足一些特殊的需要。智能小车系统涉及到自动控制，车辆工程，计算机等多个领域，是未来汽车智能化是一个不可避免的大趋势。本文设计的小车以STC89C52为控制核心，用色标传感器 E18-F10NK作为检测元件实现小车的自动循迹前行。 一、系统设计 本组智能小车的硬件主要有以STC89C52 作为核心的主控器部分、自动循迹部分、电机驱动部分。 1.1方案论证及选择： 根据设计要求，可以有多种方法来实现小车的功能。我们采用模块化思想，从各个单元电路选择入手进行整体方案的论证、比较与选择。 本方案以STC89C52作为主控芯片，通过按键进行模式的选择切换，按键一选择三轮循迹，按键二进行两轮循迹。 1.1.1模式一（三轮循迹）： 模式一（按键一控制）：三轮循迹的时候，通过色标传感器和激光传感器进行实时的数据采集，反馈给主控芯片，主控芯片通过驱动L298来控制两路直流减速电机，从而保证路线的准确性。
毕业设计（论文）开题报告学生姓名系部汽车与交通工程学院专业、班级 指导教师姓名职称讲师从事 专业 车辆工程是否外聘□是■否 题目名称平衡重式电动叉车设计 一、课题研究现状、选题目的和意义 1、研究现状 最近5 年，中国叉车市场的生产和需求量每年的增幅均达到了25％以上，2006 年中国就已经成为仅次于美国的全球第二大叉车消费市场。这种快速增长的势头持续到2008 年，直至被金融危机的爆发打断。金融危机的突然到来，致使中国叉车的产销量和出口量都出现了大幅下降。由于中国物流产业进入了十大产业振兴规划，中国叉车业又蓬勃发展起来。我国内燃平衡重式叉车约占总销量的80%，而全球叉车销量中电动叉车比重超过了50%。这是因为在欧、美、日的叉车市场上，电动叉车已成为主流产品的缘故。由于我国对环保要求较低、叉车作业更频繁、作业环境较恶劣以及运行成本等因素，较长时间内我国的叉车需求仍将倾向于使用内燃叉车。近年来，各叉车公司皆以产品种类、系列的多样化去充分适应不同用户、不同工作对象和不同工作环境的需要，并不断推出新结构、新车型，以多品种小批量满足用户的个性化需求。内燃叉车以发动机为动力，功率强劲，使用范围广，缺点是排气和噪声污染环境，有害人类健康。环保要求推动了动力技术的更新，如：上世纪90年代液化石油气(LPG)叉车、压缩天然气(CNG)叉车、丙烷叉车等低公害叉车面市，且发展势头强劲；现在林德3吨内燃平衡重式叉车尾气排放符合欧洲Ⅱ号标准。电动叉车具有能量转换效率高、无废气排放、噪声小等突出优点，是室内物料搬运的首选工具，但其受电瓶容量限制，功率小，作业时间短。对室内作业、靠近人群作业以及整个的食品行业而言，电瓶叉车是最好的选择；除了完全没有废气污染外，低噪音也使得作业环境更令人愉快。未来叉车将广泛采用电子燃烧喷射和共轨技术。发动机尾气催化、净化技术的发展将有效降低有害气体和微粒的排放。LPG、CNG等燃料叉车及混合动力叉车将进一步发展。新型电瓶燃料电池在各大公司的共同努力下，将克服价格方面的劣势，批量进入市场，微电子技术、传感技术、信息处理技术的发展和应用，对提高叉车业整体水平，实现复合功能，以及保证整机及系统的安全性、控制性和自动化水平的作用将更加明显，使电子与机械、电子与液压的结合更加密切。未来叉车的发展在于其电子技术的应用水平。如：林德电动前移式叉车采用感应式电子转向系统，给操作者提供变量扭矩反馈以确保完美的控制性能，所需转向力极微。实现以微处理器为核心的机电液一体化是未来叉车控制系统发展的主方向。对于电动车辆，传统的电阻调速控制器已被淘汰，而新型MＯSFET晶体管因其门极驱动电流小，并联控制特性好且有软、硬件自动保护和硬件自诊断功能等优点，得到广泛采用。串励和他励控制器仍是市场的主导产品，交流控制技术则处于起步阶段。随着交流调速控制系统成本的降低与闭式交流电机技术的成熟，交流电机叉车将会因其功率大、维护性能好而取代直流电机叉车。采用电子转向系统与动力转向比可节能25%，它可根据叉车使用工作状况，适时控制电机转速，是叉车节能降噪的有效措施。另外，MOSFET晶体管比电阻式调速可节能20%，释放式再生制动可节能5%～8%，采用液压电机控制器和负载势能回收技术可分别节能20%和5%。驾驶员的舒适感对保证叉车高效运行非常重要。叉车的驾驶座具有全方位的调节功能：座椅靠背可向后或向前倾斜，座椅弹簧可进行调节，座椅可向后或向前移动。各叉车公司不断优化改进叉车人机界面，使操纵简便省力、迅速准确，充分发挥人机效能，提高作业效率。例如，配备醒目的数字化仪表、报警装置以及故障检测自动仪器，实现工作状况的在线监控；采用浮动驾驶室(可移动、升降)，使操纵者获得全方位视野；以集中手柄控制替代多个手柄控制，电控替代手控；以及逐渐将电子监测器和高度显示器作为高升程叉车的标准配置。 在全球叉车市场格局中，丰田和林德遥遥领先，年销售收入超过50亿美元；而安叉和杭叉在
燕山大学 课程设计说明书题目：双轮自平衡小车机器人系统设计与制作 学院（系）：机械工程学院 年级专业：12级机械电子工程 组号：3 学生： 指导教师：史艳国建涛艳文史小华庆玲 唐艳华富娟晓飞正操胡浩波 日期： 2015.11
燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：机械工程学院基层教学单位：机械电子工程系
摘要 两轮自平衡小车是一种非线性、多变量、强耦合、参数不确定的复杂系统，他体积小、结构简单、运动灵活，适合在狭小空间工作，是检验各种控制方法的一个理想装置，受到广大研究人员的重视，成为具有挑战性的课题之一。 两轮自平衡小车系统是一种两轮左右并行布置的系统。像传统的倒立一样，其工作原理是依靠倾角传感器所检测的位姿和状态变化率结合控制算法来维持自身平衡。本设计通过对倒立摆进行动力学建模，类比得到小车平衡的条件。从加速度计和陀螺仪传感器得出的角度。运用卡尔曼滤波优化，补偿陀螺仪的漂移误差和加速度计的动态误差，得到更优的倾角近似值。通过光电编码器分别得到车子的线速度和转向角速度，对速度进行PI控制。根据PID控制调节参数，实现两轮直立行走。通过调节左右两轮的差速实现小车的转向。 制作完成后，小车实现了在无线蓝牙通讯下前进、后退、和左右转向的基本动作。此外小车能在正常条件下达到自主平衡状态。并且在适量干扰下，小车能够自主调整并迅速恢复稳定状态。 关键词：自平衡陀螺仪控制调试
前言 移动机器人是机器人学的一个重要分支，对于移动机器人的研究，包括轮式、腿式、履带式以及水下式机器人等，可以追溯到20世纪60年代。移动机器人得到快速发展有两方面原因：一是其应用围越来越广泛；二是相关领域如计算、传感、控制及执行等技术的快速发展。移动机器人尚有不少技术问题有待解决，因此近几年对移动机器人的研究相当活跃。 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的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。双轮自平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的。两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器人，是一种多变量、非线性、强耦合的系统，是检验各种控制方法的典型装置。同时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。因为它既有理论研究意义又有实用价值，所以两轮自平衡小车的研究在最近十年引起了大量机器人技术实验室的广泛关注。 本论文主要叙述了基于stm32控制的两轮自平衡小车的设计与实现的整个过程。主要容为两轮自平衡小车的平衡原理，直立控制，速度控制，转向控制及系统定位算法的设计。通过此设计使小车具备一定的自平衡能力、负载承载能力、速度调节能力和无线通讯功能。小车能够自动检测自身机械系统的倾角并完成姿态的调整，并在加载一定重量的重物时能够快速做出调整并保证自身系统的自我平衡。能够以不同运动速度实现双轮车系统的前进、后退、左转与右转等动作，同时也能够实现双轮自平衡车系统的无线远程控制操作
题图：自平衡小车系统 摘要：本自平衡小车由单片机芯片STC80C52为主控制器。通过电机驱动和寻迹电路完成三轮（两轮为驱动，一轮为万向轮）寻迹来按照竞赛要求来完成基本部分；在运用MMA7455数字加速度传感器和角速度传感器（ENC03陀螺仪）以及运用电磁线性偏差来完成两驱动轮的直立寻迹。 关键词 STC80C52、小车寻迹、自平衡小车。 Abstract:The self balancing car by single-chip microcomputer chip STC80C52 primarily controller. Through the motor drive and tracing circuit complete three (two wheel for drive, round for universal wheel) tracing to according to the competition requirements to complete basic parts; Using MMA7455 digital acceleration sensor and angular velocity sensor (ENC03 gyroscope) and the use of electromagnetic linear deviation to complete two driving wheel of upright tracing. Keywords STC80C52, car tracing, self balancing car
1系统方案 (3) 1.1模块方案比较与论证 (3) 1.2车体设计 (3) 1.3控制器模块 (3) 1.4寻迹模块 (4) 1.5直流电机驱动模块 (4) 1.6小车直立 (5) 1.7小车速度控制 (5) 1.8小车方向控制 (6) 1.9最终方案 (6) 2 理论分析和计算 (6) 2.1直流电机的转速如何控制？(建立数学模型) (6) 2.2电磁线性偏差检测数学模型建立 (8) 3电路设计1（两轮为驱动轮，一轮为万向轮） (9) 3.1电路总设计框图 (9) 3.2介绍单片机最小系统原理图及其功能 (9) 3.3介绍驱动模块原理图及其功能 (10) 3.4介绍寻迹模块原理图及其功能 (11) 3.5怎样来控制车模直立？（建立数学模型） (12) 3.6车模的方向控制 (14) 3.7车模倾角测量 (14) 4 电路设计2（两驱动轮直立行走） (17) 4.1整个电路的框架接结构 (17) 4.2介绍数字三轴加速度传感器模块与陀螺仪原理图及其功能 (18) 4.3介绍电磁线偏差检测系统电路及其原理 (20) 4.4 整个过程的注意事项 (21) 5 测试方案与结果分析 (22) 5.1寻迹测试方案（7个红外对管用TCR5000） (22) 5.2电机驱动测试方案（主芯片L298N） (22) 6.结论 (23) *参考文献 (23) *附录 (24) 附录1主要元器件芯片 (24) 附录2仪器设备清单 (24) 附录3主要程序清单 (24)
学校研究性学习开题报告 课题题目：关于汽车尾气排放的环境影响探究 指导教师： 所在班级： 开题时间：年月日 课题题目：关于汽车尾气排放的环境影响 课题组成员： 简要背景说明（课题是如何提出来的）：环境保护是当今世界各国越来越重视的重大课题，人类向大气中排入的废气不断不断恶化我们身边的环境，其中随着人们生活水平提高，汽车数量越来越多，汽车尾气的排放量也在急剧增加，这成为影响环境的又一个重要因素。 课题的目的与意义：通过调查汽车尾气排放情况，了解它对环境内外的各种影响，尤其是对于大气污染的加剧的作用，因此，关注汽车尾气排放，可以让我们提高环保意识，采取各种措施，自觉减少环境污染，保护我们的家园。 随着经济的高速发展,我国汽车保有量急剧增加,城市汽车尾气排放量快速上升,导致尾气污染问题日益突显。我国相关部门采取了措施,并收到了一定的成效,但是要从根本上根治这个问题的可能性微乎其微,我们只能采取更为有效的措施来控制污染的恶化程度。在我国走向工业化、城市化、现代化的进程中, 环境治理问题日益成为我们必须面对的挑战之一。汽车是现代人类的重要的交通工具,随着我国经济的发展 ,人民生活水平的提高,汽车的数量也随之迅速增加,在人们出行方便的同时,汽车尾气对人类生存环境也造成了严重污染。此次研究性活动的内容就是：关于汽车尾气排放对环境的影响 第一部分：汽车尾气的危害 汽车排放源主要来自三个方面:尾气排放,燃油蒸发排放和油箱通风。后两方面所造成的排放物相对第一方面来说要小得多,通常后两方面一氧化碳、氮氧化物为总排放量的1%-2%,碳氢化合物为20%左右。因此,汽车排放主要来自发动机燃烧产生的尾气。我们先看一下 一、汽车尾气的组成：含有一氧化碳、氧化氮以及对人体及环境产生不良影响的其他一些 固体颗粒。 二、汽车尾气严重影响环境（调查表明） 汽车尾气现已成为主要的空气污染源，2009年环境监测显示，全国113个环保重点城市中三分之一的城市空气质量不达标，很多城市尤其是大中城市空气污染原来出现的煤烟
开题报告填表说明 1.开题报告是毕业设计（论文）过程规范管理的重要环节，是培养学生严谨务实工作作风的重要手段，是学生进行毕业设计（论文）的工作方案，是学生进行毕业设计（论文）工作的依据。 2.学生选定毕业设计（论文）题目后，与指导教师进行充分讨论协商，对题意进行较为深入的了解，基本确定工作过程思路，并根据课题要求查阅、收集文献资料，进行毕业实习（社会调查、现场考察、实验室试验等），在此基础上进行开题报告。 3.课题的目的意义，应说明对某一学科发展的意义以及某些理论研究所带来的经济、社会效益等。 4.文献综述是开题报告的重要组成部分，是在广泛查阅国内外有关文献资料后，对与本人所承担课题研究有关方面已取得的成就及尚存的问题进行简要综述，并提出自己对一些问题的看法。 5.研究的内容，要具体写出在哪些方面开展研究，要突出重点，实事求是，所规定的内容经过努力在规定的时间内可以完成。 6.在开始工作前，学生应在指导教师帮助下确定并熟悉研究方法。 7.在研究过程中如要做社会调查、实验或在计算机上进行工作，应详细说明使用的仪器设备、耗材及使用的时间及数量。 8.课题分阶段进度计划，应按研究内容分阶段落实具体时间、地点、工作内容和阶段成果等，以便于有计划地开展工作。 9.开题报告应在指导教师指导下进行填写，指导教师不能包办代替。 10.开题报告要按学生所在系规定的方式进行报告，经系主任批准后方可进行下一步的研究（或设计）工作。 一、课题的目的意义： 倒立摆系统作为一个实验装置，形象直观，结构简单，构件组成参数和形状易于改变，成本低廉；作为一个被控对象，它又相当复杂，就其本身而言，是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合系统，只有采取行之有效的控制方法方能使之稳定。 理论是工程的先导，倒立摆的研究具有重要的工程背景。机器人行走类似倒立摆系统，尽管第一台机器人在美国问世以来已有几十年的历史，但机器人的关键技术至今仍未很好解决。由于倒立摆系统的稳定与空间飞行器控制和各类伺服云台的稳定有很大相似性，也是日常生活中所见到的任何重心在上、支点在下的控制问题的抽象。因此，倒立摆机理的研究又具有重要的应用价值，成为控制理论中经久不衰的研究课题。 文献综述（分析国内外研究现状、提出问题，找到研究课题的切入点，附主要参考文献，约2000字）： 倒立摆系统的最初分析开始于二十世纪五十年代，是一个比较复杂的不稳定，多变量，带有强耦合特性的高阶机械系统。倒立摆系统存在严重的不确定性，一方面是系统的参数的不确定性，一方面是系统受到不确定因素的干扰。其控制方法和思路在处理一般工业过程中有很广泛的用途，此外，其相关的研究成果也在航天科技和机器人学习方面得到了大量的应用，如机器人行走过程中平衡控制，火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等，因此，倒立摆系统是进行控制理论研究的理想平台。 倒立摆是机器人技术﹑控制理论﹑计算机控制等多个领域﹑多种技术的有机结合，其被控
开题报告 填表说明：题目类型：1.工程设计;2.应用研究;3.理论研究;4.其它 题目来源: a.自拟课题b.民用科研课题c.国防科研课题篇二：开题报告样板 = 本科毕业论文（设计） 开题报告 论文题目直流无刷轮毂电机驱动系统设计班级 姓名院（系） 导师开题时间 天津职业技术师范大学本科毕业论文（设计）—开题报告 1．课题研究的目的和意义 汽车是现代社会生活所必不可少的一种交通运输工具。据资料统计，当今世界，汽车保 有量已超过8亿辆，年产量达到6000万辆。虽然汽车的广泛使用使我们的生活便利快捷，但 是这也不可避免地造成了严重的的资源短缺和环境污染问题。汽车不仅消耗着大量的石油资 源，调查还表明：每年汽车尾气约排放2亿吨有害气体，占大气污染总量60%以上[1]。随着 地球上石油资源的大量减少和环境污染日益严重，我们迫切地需要设计出一种低消耗轻污染 的交通运输工具。电动汽车便应运而生。为了尽快降低燃油汽车的排放，美日等国正在广泛 研制混合动力汽车，目前己经开始小批量商业化生产[2,3]。可以预言，在全球性大力推进研 究开发电动汽车技术的21世纪，电动汽车的产业化并进入商业营运市场的实用化时期必将到 来[4]。 新能源电动汽车是在工业革命期间直流电机驱动的电动汽车（electric vehicle)的基础 上发展起来的现代交通工具。电动汽车包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动 汽车，相比较于传统的内燃机汽车，它污染、噪声低，能源利用率高，结构简单，使用维修 方便。大面积推广和使用电动汽车是解决燃油汽车所带来的能源和环境问题的有效途径，因 此，世界各国政府和各大汽车制造商都对开发出具有优越性能的电动汽车做了大量投入。从 20世纪70年代起，世界发达国家均投入巨资进行电动汽车的商业化开发和应用[5]。由于我 国的工业基础相对薄弱，在汽车的核心技术方面与发达国家之间存在着较大的差距，并且西 方大国也对我国实行技术封锁，因而我们国家想要在这些领域取得重大成就是难上加难。而 相对于传统工业技术方面的差距，我国在新能源汽车技术方面与其他国家的差距较小，很多 技术成果甚至达到世界先进水平，因此我国必须紧紧抓住这一重大发展机遇，大力发展和研 究电动汽车，使电动汽车的研发和产业化程度跃居世界先进国家前列[6]。 电动汽车多数采用轮毂电机驱动技术。与电动机集中动力驱动相比，轮毂电机技术具备 很大的优势，主要体现在以下几点：省略大量传动部件，让车辆结构更简单；可实现多种复 杂的驱动方式；便于采用多种新能源车技术等。不过同时也有自己的显著不足，比如密封和 起步电流/扭矩间的平衡关系，以及转向时驱动轮的差速问题等等，如果能在工程上解决这些 难题，轮毂电机驱动技术将在未来的新能源车中拥有广阔的前景。 无论是纯电动汽车、混合动力电动汽车还是燃料电池电动汽车，车用驱 天津职业技术师范大学本科毕业论文（设计）—开题报告 动电机系统既是关键技术又是共性技术[7]。由于车用驱动电机工作环境恶劣，同时又要 求其具有低速大扭矩、调速范围宽、过载能力大、成本低等要求，因而该系统的开发难度较 大。车用驱动控制系统包括电机本体，逆变器，控制系统等部分，其中控制系统是其核心部 分。但是纵观国内各大汽车厂家，电动汽车驱动系统的控制器却基本采用进口产品，这对我 国电动汽车产业的发展是很不利的。所以，我们要加大力度研发具有自主知识产权的电动汽 车驱动系统控制器，本次设计正是从这个角度出发，深入研究了以直流无刷轮毂驱动电机为
双轮自平衡车设计报告 学院………….......... 班级…………………… 姓名………………..手机号…………………..姓名………………..手机号…………………..姓名………………..手机号…………………..
目录 一、双轮自平衡车原理 二、总体方案 三、电路和程序设计 四、算法分析及参数确定过程
一.双轮自平衡车原理 1.控制小车平衡的直观经验来自于人们日常生活经验。一般的人通过简单练习就可以让一个直木棒在手 指尖上保持直立。这需要两个条件：一个是托着木棒的手掌可以移动；另一个是眼睛可以观察到木棒的倾斜角度和倾斜趋势（角速度）。通过手掌移动抵消木棒的倾斜角度和趋势，从而保持木棒的直立。这两个条 件缺一不可，让木棒保持平衡的过程实际上就是控制中的负反馈控制。 图1 木棒控制原理图 2.小车的平衡和上面保持木棒平衡相比，要简单一些。因为小车是在一维上面保持平衡的，理想状态下，小车只需沿着轮胎方向前后移动保持平衡即可。 图2 平衡小车的三种状态 3.根据图2所示的平衡小车的三种状态，我们把小车偏离平衡位置的角度作为偏差；我们的目标是通过 负反馈控制，让这个偏差接近于零。用比较通俗的话描述就是：小车往前倾时车轮要往前运动，小车往后倾时车轮要往后运动，让小车保持平衡。 4.下面我们分析一下单摆模型，如图4所示。在重力作用下，单摆受到和角度成正比，运动方向相反的回复力。而且在空气中运动的单摆，由于受到空气的阻尼力，单摆最终会停止在垂直平衡位置。空气的阻尼力与单摆运动速度成正比，方向相反。 图4 单摆及其运动曲线
类比到我们的平衡小车，为了让小车能静止在平衡位置附近，我们不仅需要在电机上施加和倾角成正比的回复力，还需要增加和角速度成正比的阻尼力，阻尼力与运动方向相反。 5 平衡小车直立控制原理图 5.根据上面的分析，我们还可以总结得到一些调试的技巧：比例控制是引入了回复力；微分控制是引入了阻尼力，微分系数与转动惯量有关。 在小车质量一定的情况下，重心位置增高，因为需要的回复力减小，所以比例控制系数下降；转动惯量变大，所以微分控制系数增大。在小车重心位置一定的情况下，质量增大，因为需要的回复力增大，比例控制系数增大；转动惯量变大，所以微分控制系数增大。 二.总体方案 ■小车总框图
1 课题分析 1.1 常用汽车举升机的结构类型 目前，全国生产汽车举升机的厂家较多，生产的型式也较繁多。有双柱式、四柱式、剪式、组合移动汽车式等。 其中各类举升机从不同的方面又可分成好几类： 单从举升机的外型来分类的基本形式有：普通双柱、龙门双柱、四立柱、剪式、移动式和单立柱式等（分别如下列各图所示1.1～1.6）。 图1.1普通双柱式汽车举升机 图1.2 龙门双柱式汽车举升机
图1.3 四立柱式汽车举升机 图1.4 剪式汽车举升机 图1.5 组合移动式汽车举升机
图1.6单立柱式汽车举升机 各种形式各有千秋，适用于不同的场合。最常用的形式是前四种，即：普通双柱式、龙门双柱式、四立柱式和剪式。剪式举升机分为大剪（子母式）、小剪（单剪式）举升机。 双柱式举升机分又分为机械式和液压式举升机。机械式举升机曾流行于1992-1998年间，该举升机特点是同步性好，但由于机械磨损维护成本高（经常需要更换铜锣母以及轴承），每年一台举升机的维修更换需要1000元左右，因此目前不生产此举升机，使用者们最终会将该产品更换为维护成本小的液压举升机。 1.2 各类汽车举升机的使用情况 从调研的情况来看，双立柱结构形式的汽车举升机为最多，其次是四立柱式，同时还有少些的剪式举升机。 汽车举升机生产厂的市场占有率如表1.1和图1.7，其中永红和宝得宝生产的举升机市场占有率最高，分别为34.1%和28.5%。国产和进口的
百分比分别为：77.1%和22.9% 。进口的举升机大部分是比较早期的产品。另外，未被统计的大部分小厂都是拥有国产的举升机。 表1.1举升机主要生产厂的市场占有率 总台数编号生产厂台数百分比 1 宝得宝61 28.5% 2 永红7 3 34.11% 举升机总数214 3 中大8 3.74% 4 序达9 4.21% 5 其他41 19.16% 6 进口4922.90% 系列1 图1.7汽车举升机主要生产厂的市场占有率百分比图 1.3 汽车举升机的主要参数 普通双立柱式、龙门双立柱式、和四立柱式这三种目前市场上主要的汽车举升机主要技术参数统计如表1.2，1.3，1.4所示。