两轮自平衡机器人平衡控制仿真与研究

两轮移动机器人论文：两轮移动机器人平衡控制系统的研发【中文摘要】两轮移动机器人是轮式机器人的一个分支。

由于其体积小,运动灵活等优点,在多个领域有重要的用途；同时由于它具有非线性,多变量耦合,欠驱动等特点,因而成为各种高级控制算法的理想验证平台,对它的研究有着重要的学术价值。

本文旨在设计开发完整的两轮移动机器人的实验平台,为两轮移动机器人的应用和研究提供实验系统。

本文主要的工作内容包含如下：(1)对两轮移动机器人进行运动学和动力学分析,为总体设计提供了理论依据。

(2)在硬件系统设计中基于快速原型思想,以DSP芯片为控制核心,设计完成了控制电路和直流电机驱动电路。

本文设计的硬件系统接口丰富,扩展性强,同时支持MATLAB/Simulink环境下的快速开发调试。

(3)在软件系统设计中采用了卡尔曼滤波原理和LQR控制原理,实现了传感器噪声信号的过滤和对机器人平衡运动的控制。

(4)针对目前DSP的算法开发主要依赖手工编写C代码,不但工作量大,而且程序的下载依赖于专门的昂贵的仿真器的问题,本文提出并实现了基于MATLAB/Simulink环境的DSP算法开发,并利用串口通信实现程序下载的综合方案。

该方案能很好地利用MATLAB现有的功能模块,通过图形化编程实现对硬件的控制和控制算法设计,大大降低了DSP的算法开发难度,利用RTW技术,可将算法模型自动生成C代码,提高了设计开发的效率。

利用串口通信下载调试程序,方便有效,节约了系统开发的成本。

(5)最后在两轮移动机器人系统上完成直流电机的闭环控制和两轮移动机器人的平衡控制实验。

实验结果表明,本文设计的两轮移动机器人取得较理想的平衡控制效果,从而验证了两轮移动机器人系统设计的合理性和可靠性。

【英文摘要】Two-wheeled moving robot is a part of the wheeled robots.The robot is flexible and small,so it has a large foreground in all kinds of application.Otherwise the robot is a nonlinear and multi-variables system,it is a good test bed for many control algorithms.To supply a convenient experiment system for researching and developing on this robot,this paper research and design a two-wheeled moving robot system.This paper’s major job include:(1). establish the mathematical model for the analysis of the robot.(2). Based on the rapid prototyping thinking,this paper design controller with DSP,and driver for DC motor.The hardware has interfaces and provides link with MATLAB/Simulink.(3). The software designs Kalman Filter to filter the noise in sensors and Linear Quadratic Regulator control algorithms to make the robot move in balancing.(4). Besides, To reduce developers’heavy programming C code for developing control algorithms and emulator for downloading program, a MATLAB/Simulink-based rapid development and downloading by serial communications method was designed. The developers use existing blocks inMATLAB to build control model, and generate directly executable codes through Real-Time Workshop function of MATLAB. Downloading code by serial communications interface can reduce the cost.(5). The expetiments validate the hardware and software at the end of this paper.The experiments include DC motor speed control,two-wheeled moving robot balance control.The results show the efficacy of the algorithms,and provide that the system in this paper is reliable.【关键词】两轮移动机器人平衡控制 LQR控制算法倾角【英文关键词】two-wheeled moving robot balancing control LQR control algorithms angle【目录】两轮移动机器人平衡控制系统的研发摘要6-7Abstract7第1章绪论10-17 1.1 研究背景和意义10-11 1.2 国内外研究现状11-15 1.2.1 国外研究现状11-13 1.2.2 国内研究现状13-14 1.2.3 研究趋势分析14-15 1.3 本文主要内容15-16 1.4 本章小结16-17第2章系统总体设计17-28 2.1 机器人数学模型17-21 2.1.1 机器人驱动电机模型17-18 2.1.2 机器人车轮模型18-19 2.1.3 机器人车身运动模型19-20 2.1.4 机器人模型分析20-21 2.2 总体架构设计21-27 2.2.1 硬件系统总体设计22-26 2.2.2 软件系统总体设计26-27 2.3 本章小结27-28第3章硬件系统开发28-42 3.1 系统方案比较28-29 3.2 控制电路开发29-35 3.2.1 最小控制单元开发29-31 3.2.2 采样电路开发31-33 3.2.3 串行接口开发33-35 3.3 驱动电路开发35-40 3.3.1 PWM驱动原理35-37 3.3.2 H桥式电路原理37-38 3.3.3 驱动电路实现38-40 3.4 硬件设计总成40-41 3.5 本章小结41-42第4章软件系统开发42-66 4.1 算法设计42-49 4.1.1 卡尔曼滤波设计42-44 4.1.2 平衡控制算法设计44-49 4.2 基于MATLAB的开发平台设计49-56 4.2.1 快速开发方法49-50 4.2.2 硬件驱动模块开发50-53 4.2.3 开发环境配置53-56 4.3 串口下载56-65 4.3.1 数据流56-61 4.3.2 引导函数61-63 4.3.3 程序下载实现63-65 4.4 本章小结65-66第5章实验研究66-73 5.1 电机闭环速度控制实验66-68 5.1.1 程序实现66-67 5.1.2 实验结果及分析67-68 5.2 机器人平衡控制实验68-72 5.2.1 程序实现68-71 5.2.2 实验结果及分析71-72 5.3 本章小结72-73总结73-74致谢74-75参考文献75-79攻读硕士期间发表的论文79。

两轮自平衡机器人的研究共3篇两轮自平衡机器人的研究1两轮自平衡机器人的研究近年来，随着人工智能技术的不断发展，机器人正逐渐成为人类生活中的重要组成部分。

而作为机器人中的一种，两轮自平衡机器人的研究也日趋成熟。

本文将对两轮自平衡机器人的研究现状、原理、应用等方面进行介绍。

一、两轮自平衡机器人的研究现状两轮自平衡机器人可以追溯到20世纪80年代，当时研究者Christopher C. H. Kwan在其博士论文中首次提出了实现两轮自平衡的方法。

随着控制技术、电机技术、计算机技术等方面的发展，两轮自平衡机器人的研究也越来越广泛。

目前，两轮自平衡机器人的研究主要涉及控制策略、动力学建模、轨迹规划等方面。

控制策略是两轮自平衡机器人研究中的核心问题，目前主要有PID控制、模糊控制、神经网络控制等方法。

其中，PID控制是最基本的控制方法之一，能够实现较好的稳定性和鲁棒性。

而模糊控制则可以处理非线性系统和模棱两可的问题，有较好的实用价值。

神经网络控制则是利用神经元之间相互连接的方式，模拟人类大脑进行控制，有很高的容错性和自适应性。

动力学建模是对机器人的运动学和动力学模型进行建立，可以为控制策略的设计提供基础。

在两轮自平衡机器人研究中，采用的动力学模型主要有倒立摆模型和悬挂模型。

倒立摆模型是将两轮机器人抽象成一个质点和一个竖直平衡的杆，通过对杆的转动来实现机器人的前后倾斜。

悬挂模型则是将两轮机器人视为一根绳子和一个质点，通过调整绳子的张力来实现机器人的前后倾斜。

轨迹规划主要是将机器人的控制信号转化成轨迹点的位置和速度，以确保机器人能够按照指定的轨迹进行运动。

在两轮自平衡机器人研究中，轨迹规划的方法主要包括PID控制目标规划、工具函数法、动态规划等。

二、两轮自平衡机器人的原理两轮自平衡机器人的原理主要基于倒立摆理论，即通过控制机器人前后倾斜的角度，使机器人能够保持平衡。

两轮自平衡机器人的结构一般包括电机、减速器、编码器、惯性测量单元等部件。