两轮自平衡机器人自主移动系统设计和应用
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两轮移动机器人平衡控制系统的研发的开题报告摘要:本文介绍了一种基于单片机嵌入式系统的两轮移动机器人平衡控制系统的设计和研发。
首先,分析了该系统的物理模型,并根据模型建立了控制模型。
其次,分别设计了控制器的硬件和软件实现,并且详细阐述了控制器的各个模块之间的交互过程。
最后,利用PID控制算法进行了仿真实验,并得到了良好的控制效果。
关键词:移动机器人、平衡控制、单片机、PID控制一、研究背景和意义随着科学技术的不断发展,移动机器人的应用越来越广泛。
移动机器人通常具有高机动性、灵活性和智能化等特点。
但是移动机器人的控制较为复杂,其中平衡控制是机器人运动控制中的关键问题之一。
因此,研究移动机器人平衡控制技术具有重要的理论和实际意义。
针对上述问题,本文研发了一种基于单片机嵌入式系统的两轮移动机器人平衡控制系统。
该系统具有优良的控制性能和实用性,可以为移动机器人的运动控制和应用提供技术支持和借鉴。
二、系统设计原理1. 系统物理模型分析该系统由两个直径相同的轮和一个控制一个转子构成(如图1所示)。
设机器人的角速度为ω,前轮中心到机器人中心的距离为l,转子的电流为u,转子的自旋角速度为ν,则系统的运动学模型可以描述为:ω=(vr-vl)/2lυ=(vr+vl)/2其中,vr和vl分别为右轮和左轮的线速度。
此外,根据机器人的运动学模型,可以得到机器人的控制模型:Mω+Kυ=μu其中,M为机器人的惯性矩,K为机器人的阻尼系数,μ为电机的转矩系数。
2. 系统控制器设计(1)硬件设计该系统的硬件控制器由传感器、执行器和单片机组成。
其中,传感器包括两个陀螺仪和一个加速度计,用于测量机器人的倾角和加速度;执行器为直流电机,用于控制机器人的运动。
单片机采用STM32F103C8T6型号,具有高性能、低功耗、强的存储和处理能力,可以满足该系统的控制要求。
(2)软件设计该系统的软件控制器采用C语言编写,分为两层:底层驱动程序和上层控制程序。
Design and Implementation of Two-wheeled Self-balancing Inspection RobotShan Jiming西北师范大学工程硕士学位论文摘要两轮自平衡机器人隶属于轮式机器人的范畴,具有结构简单、运动灵便、体积较小等特点。
它能够适应各类工作环境,在工业和军事等方面的应用前景非常广阔。
作为一种典型的不稳定控制系统,它可以在控制策略上为大型的两轮自平衡机器人实验提供模型。
因此,自平衡机器人相关问题已经成为机器人研究的热点之一,在理论和实用性等方面都具有重要意义。
本文根据倒立摆原理搭建了两轮自平衡巡检机器人,并对其数学模型和平衡控制策略进行研究。
该系统硬件主要包括单片机系统、电源模块、电机驱动模块、姿态传感器模块、数据采集模块、视频采集模块及WiFi传输模块等。
整个系统具有较强的稳定性和可靠性,并且能够通过上位机进行实时控制和采集视频及环境数据。
在对控制策略的研究中,应用了PID控制,并利用Kalman滤波对倾角数据进行优化。
在运行调试时,首先进行仿真实验,然后对机器人进行实际调试。
实验结果证明,自平衡机器人的物理系统、数学模型以及相应的控制策略具有合理性、有效性和可行性。
经调试验证,视频信号、环境数据及控制指令能够通过WiFi传输模块实时传输。
两轮自平衡机器人能够实现远程操控和巡检检测的功能。
关键词:两轮自平衡机器人;PID控制;Kalman滤波;巡检机器人;WiFi两轮自平衡巡检机器人的设计与实现AbstractTwo-wheeled self-balancing robot belongs to the category of wheeled robots. This kind of robot is small and flexible. It can adapt to different kinds of working environment. So the robot has wide prospects in the field of both industry and military. Self-balancing robot is a typical unstable control system, and the control strategy of this system can be applied to some large two-wheeled self-balancing robot system. Topics about self-balancing robot becomes a hot issue that of great significance in both theoretical and practical aspects.In this thesis, a two-wheeled self-balancing inspection robot is designed based on the inverted pendulum model. Meanwhile, the mathematical model and control strategy are analyzed. This system consists of SCM system, power supply module, motor drive module, posture sensor module, data acquisition module,video capture module and WiFi module. This system is of high stability and reliability, and it can capture video and other kinds of signals. It also can be controlled remotely through the host computer.PID control is applied to the system and Kalman filter is used to optimize the angle data in this paper. Simulation experiments are done before debugging. Experimental result shows that the physical system, mathematical model and appropriate control strategies are rational, effective and feasible. After debugging, video signal, environmental data and control instructions can be transmitted via WiFi. The robot can collect environmental data and can be controlled remotely.Key Words: Two-wheeled Self-balancing Robot; PID Control; Kalman Filter; Inspection Robot; WiFi西北师范大学工程硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (III)第1章绪论 (1)1.1研究背景及意义 (1)1.2 国内外研究现状 (1)1.2.1 国外研究现状 (1)1.2.2 国内研究现状 (3)1.3 国内外现状分析 (4)1.4 本文主要研究内容 (5)1.5 本章小结 (5)第2章自平衡机器人数学模型及控制算法分析 (6)2.1 数学模型分析 (6)2.1.1 单摆模型分析 (6)2.1.2 移动倒立摆分析 (7)2.1.3 两轮机器人数学建模 (7)2.2 PID控制算法 (8)2.2.1 PID控制算法介绍 (8)2.2.2 增量式PID控制 (10)2.2.3 PID控制器参数整定 (10)2.3 Kalman滤波控制算法研究 (11)2.3.1 Kalman滤波器介绍 (11)2.3.2 陀螺仪和加速度计信号融合 (12)2.3.3 基于Kalman陀螺仪和加速度计信号融合 (13)2.4 本章小结 (14)第3章两轮自平衡机器人硬件设计 (15)3.1 机械设计 (15)3.2 硬件介绍 (16)3.3 单片机最小系统 (16)3.4 电源模块 (18)两轮自平衡巡检机器人的设计与实现3.5 电机及驱动模块 (19)3.5.1 直流电机介绍 (19)3.5.2 驱动电路设计 (20)3.6 姿态传感器模块 (20)3.6.1 加速度计 (21)3.6.2 陀螺仪 (22)3.7 数据采集模块 (22)3.7.1 温湿度及气体检测模块 (22)3.7.2 摄像头模块 (23)3.8 WiFi传输模块 (24)3.9 本章小结 (25)第4章两轮自平衡机器人软件设计 (26)4.1 软件设计 (26)4.1.1 软件主要功能 (26)4.1.2 软件设计框图 (26)4.2 初始化程序设计 (27)4.3 Kalman滤波算法 (30)4.4 直立控制算法 (30)4.5 速度控制算法 (31)4.6 方向控制算法 (32)4.7 上位机程序设计 (33)4.7.1 上位机程序主要功能 (33)4.7.2 上位机界面 (34)4.8 本章小结 (34)第5章系统仿真与调试 (35)5.1 开发环境介绍 (35)5.2 系统调试与参数整定 (36)5.2.1 调试准备 (36)5.2.2 静态参数调整 (36)5.2.3 动态参数调整 (36)5.3 Kalman滤波仿真与调试 (37)5.3.1 Kalman滤波仿真 (37)5.3.2 Kalman滤波调试 (38)5.4 本章小结 (41)第6章总结与展望 (42)参考文献 (43)附录A 两轮自平衡巡检机器人实物图 (45)攻读学位期间的研究成果 (I)致谢 (II)第1章绪论1.1研究背景及意义机器人技术同网络技术、通信技术、基因技术、虚拟现实技术等一样,属于高新技术[1]。
两轮自平衡机器人系统设计的开题报告一、选题背景和意义随着人们生活水平的提升和科技发展的不断推进,人们对于出行工具的需求也越来越高。
在城市中,出租车、地铁、公交和步行等方式已经无法满足人们的需求。
近年来,两轮自平衡机器人开始逐渐引起人们的关注,其速度快、灵活多变,可控性好,适用范围广,受到了越来越多人的青睐。
并且,在纯电动出行的趋势下,两轮自平衡机器人也成为了出行工具市场的主流之一。
本文将针对两轮自平衡机器人的设计,开展相关研究,从而提高其技术水平和实用性,为广大用户提供更好的出行工具选择。
二、研究内容和技术方案1.目标功能本研究的主要目标是设计并实现一款性能稳定、指令响应迅速的两轮自平衡机器人系统,以满足用户的需求。
2. 硬件设备为了实现两轮自平衡机器人系统的目标,需要精心挑选硬件设备。
本文使用的硬件设备如下:(1)电机:使用高品质的无刷直流电机,提高其转动效率和能量利用效率。
(2)传感器:系统内部集成一系列的传感器,包括陀螺仪、加速度计、地磁仪等传感器,这些传感器能够对机器人状态进行实时监测,从而保证机器人的稳定性。
(3)控制芯片:控制芯片是机器人系统的核心部件,采用高效率、高稳定性、高性能的控制芯片可以更有效地实现系统控制。
(4)电池:使用优质电池,可以大大延长机器人的使用时间和续航里程。
3. 系统设计两轮自平衡机器人的系统设计主要包括机器人控制系统、机械结构设计和电源管理系统等。
(1)机器人控制系统:机器人的控制系统需要实时监测机器人状态,并根据实时数据进行调整。
控制系统具有高精度、快速响应、可靠稳定等特点。
对于控制系统,可以采用PID控制算法,该算法比较成熟,能够有效地控制机器人。
在系统设计过程中,还需要进行参数优化和控制算法调整,以提高机器人的控制性能。
(2)机械结构设计:机械结构设计主要包括重心设计、扭矩和转动力矩分析等内容。
机械结构设计需要具有坚固耐用、稳定性好、抗震性能强等特点,同时还需要考虑机器人的人性化设计,更好地服务于用户。
两轮自平衡车控制系统的设计与实现一、自平衡车系统概述1、定义自平衡车是一种以双轮直立结构/双轮平移结构的小型无线遥控电动车,最初由电动车作为主要的运动机构,但也有可能有其他特殊机构,进行实时控制,使其能够在平衡和模式控制下,保持水平稳定态,实现自动平衡、自主康复和自由行走。
2、系统功能自平衡车系统的功能是通过实时控制平衡并实现模式控制,使自平衡车实现自动平衡、自主康复和自由行走,从而达到智能化的操作目的,解决双轮自行车无主动平衡功能的问题。
二、系统设计1、硬件系统自平衡车的硬件系统由电池、ESC(电子转向控制器)、遥控组件、周边传感器组件、电路板组件等构成。
2、软件系统自平衡车的控制系统主要由ARMCortex-M0 MCU、单片机程序、PID算法组成。
三、系统实现1、硬件系统实施(1)第一步,在自平衡车上安装ESC,ESC的电池由智能充电器连接,使自平衡车进行自动充电;(2)第二步,给控制器方向键插上遥控器,使用户可以控制车辆移动;(3)第三步,在车辆上安装多个传感器,在控制板上增加芯片,使用户可以对车辆进行实时监测;(4)第四步,在控制板上安装一个ARM Cortex-M0 MCU处理器,将控制算法由单片机程序烧录形成可控制的处理系统。
2、软件系统实施(1)随着ARM处理器的安装,自平衡车可以被SONI的特殊的烧录器进行烧录,该程序可以控制车辆的转向和速度;(2)安装完毕后,需要建立多个变量从传感器接受数据,读取车辆的平衡状态,并控制车辆前后左右的运动;(3)最后,我们选择PID算法来实现车辆实时的控制,根据车辆当前的实际情况,调节PID距离和速度增量使自平衡车实现实时的模式控制。
四、结论本文介绍了自平衡车控制系统的设计思想和实现步骤,通过控制平衡,实现自动平衡、自主康复和自由行走,使得自平衡车有更多的功能,在以后的应用中,自平衡车的研究和应用实际会有很大的推动作用。
智能双轮平衡车的设计原理
智能双轮平衡车是一种能够自主平衡并移动的机器人。
其设计原理基于以下几个方面:
1. 姿态控制原理:智能双轮平衡车通过检测车身的姿态来进行平衡控制。
通常使用陀螺仪或加速度计等传感器来检测车身倾斜的角度,然后使用控制算法来调整电机转速,使得车身保持平衡。
2. 转向控制原理:智能双轮平衡车通过控制两个电机的转速差来实现转向。
当需要车身左转时,右边的电机转速减小,左边的电机转速增加,从而使车身向左转动。
反之,当需要车身右转时,左边的电机转速减小,右边的电机转速增加。
3. 速度控制原理:智能双轮平衡车通过控制两个电机的转速来调节车辆的速度。
通常使用电机控制器或闭环控制算法来根据用户输入的速度指令,控制电机的转速。
4. 充电与电池管理原理:智能双轮平衡车通常使用锂电池作为电源,需要有充电电路和管理系统来管理电池的充电和放电过程。
充电电路通常与电源适配器相连,可以通过检测电池电量来自动充电。
同时,电池管理系统还需要监测电池的电压和温度等参数,以确保使用安全。
5. 用户交互原理:智能双轮平衡车通常会配备有界面或传感器,供用户与车辆
进行交互。
这些界面可以是按钮、触摸屏、语音控制等,用户可以通过这些界面给车辆发送指令,比如控制车辆前进、后退、转向等。
综上所述,智能双轮平衡车的设计原理主要涉及姿态控制、转向控制、速度控制、充电与电池管理以及用户交互等方面,通过使用传感器、控制算法和相应的硬件设备,实现车辆的平衡和移动。
轮式移动机器人动力学控制研究及应用近年来,随着技术的不断发展和人工智能的不断壮大,机器人技术领域吸引了越来越多的关注和研究。
轮式移动机器人是一种常见的机器人类型,因其机动性强、灵活性高等特点,被广泛应用于工业制造、军事、医疗等领域。
其中,动力学控制是轮式移动机器人研究的重要方向之一。
轮式移动机器人作为一种双轮自平衡运动系统,其动力学控制研究重点在于掌握机器人的运动状态,并在此基础上进行精准的控制。
一方面,机器人需要通过运动状态分析确定自身位置、速度和方向等信息,以保证对环境的认知行为。
另一方面,机器人还需要进行运动控制,根据输入信号对机器人速度、方向等进行精确控制,实现行动的自主决策。
在动力学控制研究中,机器人模型是关键因素之一。
轮式移动机器人模型通常采取双轮模型或三轮模型。
其中,双轮模型是轮式移动机器人动力学控制研究的基础,其模型侧重于机器人的旋转运动和线性运动,包括转向、加速度控制等内容。
而三轮模型在双轮模型的基础上进行了扩展,能够对多种移动方式进行控制,如直线行驶、弯道行驶、斜角行驶等。
在实际应用中,轮式移动机器人动力学控制研究有着广泛的应用前景。
首先,在制造业中,机器人能够替代人力完成重复性、危险或高难度的任务,提高生产效率,减少工业事故的发生。
其次,轮式移动机器人在医疗领域也发挥着重要作用。
如开展手术、输送药品和物资等。
此外,在军事和公共安全领域,轮式移动机器人不仅可以进行实时监控,也可以在紧急状态下进行侦查、搜救等任务。
然而,轮式移动机器人动力学控制研究也存在一些尚未解决的问题。
例如,机器人在复杂环境下行驶容易受到干扰,从而导致行进路径出现误差;机器人的运动控制也存在精度不足、响应时间慢等问题。
此外,随着机器人技术不断发展,信息安全问题也愈来愈受到关注。
综上所述,轮式移动机器人动力学控制研究是机器人领域的热门研究方向,其应用前景广阔。
未来,在机器人技术和理论基础不断深入的同时,也需要不断探索实际应用场景,进一步完善轮式移动机器人的动力学控制方法。
两轮自平衡小车的设计与实现一、本文概述随着科技的飞速发展,智能化、自主化已经成为现代机器人技术的重要发展方向。
两轮自平衡小车作为一种典型的动态稳定控制机器人,其设计与实现技术对于推动机器人技术的进步具有重要意义。
本文旨在深入探讨两轮自平衡小车的设计理念、实现方法以及关键技术,为相关领域的研究者和爱好者提供有益的参考。
本文将首先介绍两轮自平衡小车的基本概念和原理,阐述其动态稳定控制的基本思想。
随后,将详细介绍两轮自平衡小车的硬件设计,包括电机驱动、传感器选型、控制器设计等关键部分,并阐述各部件之间的协同工作原理。
在此基础上,本文将重点探讨两轮自平衡小车的软件实现,包括平衡控制算法、运动控制算法以及人机交互界面设计等。
本文还将对两轮自平衡小车的性能优化和实际应用进行深入分析,探讨如何提高其稳定性、响应速度以及续航能力等问题。
本文将对两轮自平衡小车的发展趋势和前景进行展望,为相关领域的研究和发展提供有益的参考。
通过本文的阐述,读者可以全面了解两轮自平衡小车的设计与实现过程,掌握其关键技术和应用方法,为推动机器人技术的发展做出贡献。
二、两轮自平衡小车的基本原理两轮自平衡小车,又称作双轮自稳车或双轮倒立摆,是一种基于动态稳定技术设计的个人交通工具。
其基本原理主要涉及到力学、控制理论以及传感器技术。
两轮自平衡小车的稳定性主要依赖于其独特的力学结构。
与传统三轮或四轮的设计不同,双轮自平衡小车只有两个支撑点,这意味着它必须通过动态调整自身姿态来维持稳定。
这种动态调整的过程类似于杂技演员走钢丝,需要精确的平衡和快速的反应。
实现自平衡的关键在于控制理论的应用。
两轮自平衡小车通常搭载有先进的控制系统,该系统通过传感器实时监测小车的姿态(如倾斜角度、加速度等),并根据这些信息计算出必要的调整量。
控制系统随后会向电机发送指令,调整小车的运动状态,以保持平衡。
传感器在两轮自平衡小车中扮演着至关重要的角色。
常见的传感器包括陀螺仪、加速度计和角度传感器等。
2012届毕业生毕业设计说明书题目: 双轮直立智能机器人平衡系统设计目次1 概述 (3)1.1 轮式智能机器人的研究背景及意义 (3)1.2 国内外研究现状 (3)1.3课题研究内容 (4)2总体设计方案 (4)2.1双轮智能平衡机器人的工作原理 (5)2.2机器人平衡控制系统方案分析 (6)3微控制器和检测电路设计 (7)3.1 S08微控制器 (7)3.2角度和角速度检测模块 (8)3.3速度传感器 (11)4驱动电路及电源模块设计 (12)4.1微型直流电机 (12)4.2电机驱动模块 (12)4.3电源模块设计 (13)5软件设计 (14)5.1 S08AW60微控制器资源配置 (14)5.2 PID控制原理 (16)5.3 程序设计 (17)总结 (21)1 概述1.1 轮式智能机器人的研究背景及意义随着科学技术的迅速发展,人类进入了数字化、智能化时代,计算机科学和控制理论的发展为人类制造高度智能的仿真机器人提供了可能。
专家预言,二十一世纪将是机器人的时代。
从上个世纪八十年代开始,机器人技术逐渐形成了一个比较系统的科学体系,它将力学、机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制理论和算法等学科融为一体,不断吸收其它相关学科的最新研究成果,形成了一门独立的高科技学科。
移动机器人是现代机器人中的一个重要的分支,它能够根据指定的命令,自主运动到特定位置,具备对工作环境的感知和自我适应、运动的实时决策以及自身的行为控制等功能,它具有很高的军事、商业价值[1]。
近年来,移动机器人已经得到广泛的应用,几乎渗透到各个行业,所实现的功能也是越来越复杂,例如应用于核电站、军事应用、宇宙探索、防灾救灾、危险品运输、地形勘探、海洋开发等。
轮式移动机器人作为移动机器人的一个重要分支。
轮式移动机器人比较适合在狭窄和大转角场合工作,因此轮式移动机器人的实用价值和理论价值都非常高[2]。
1.2 国内外研究现状在二十世纪八十年代末,日本东京电信大学自动化系的山藤一雄教授最早提出了双轮直立自平衡机器人的设计思想,并于1996年在日本通过了专利申请。
电子技术• Electronic Technology68 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering【关键词】两轮自平衡机器人 控制系统 设计两轮自平衡机器人的控制系统是实现两轮自平衡机器人的移动过程中保持平衡的关键系统,也是两轮自平衡机器人实现功能拓展与增加的基础与前提。
1 两轮自平衡机器人概述两轮自平衡机器人控制系统设计与实现文/刘静 肖家宝 王晓 钱雯两轮自平衡机器人是移动式机器人的一个重要分支,在近些年来实现了快速的发展突破,由于其在控制性、生产经济性、功能拓展性等方面都较其他的轮式机器人有较为明显的优势,因而一度成为轮式机器人控制研究领域的热点研究论题。
两轮式自平衡机器人的物理结构由两个车轮与机器人机身组成,车轮一般是由直流轮式电机与加装的功能及控制部件组成,机身多为连接两个车轮的长方体结构,机身下板固定安装机器人的控制系统及电池等电路设备,上板一般可以安装一些拓展性的功能模块,在机器人的行走移动功能的基础上再进行一定的功能拓展,使其具有更加丰富的功能,以拓展两轮自平衡机器人的适用范围与实用性。
两轮自平衡机器人的双轮结构决定了其的不稳定平衡性,在静止状态下将自平衡机器人放置在水平的地面上,机器人机身将向前或向后倾倒,无法实现机身平面的平衡,因此必须要通过机器人的平衡控制系统对两个车轮进行协调控制,以实现机器人机身的平衡。
2 自平衡机器人的平衡控制机理两轮自平衡机器人的机身平衡控制系统多为以单片机为计算系统的集成电路控制系统,通过安装在车轮位置的姿态传感器测量机身的倾斜角度,然后通过控制电路内核的单片机使用相应的算法对控制车轮转动的伺服电机输出相应的控制信号,进而使轮式电机产生与之对应的扭矩,从而实现机身的平衡。
自平衡机器人在控制系统不工作的状态下无法实现机身的平衡,因此机身会向前或向后倾倒,根据倾倒的方向与倾倒角度的大小判断机身的位置状态。
两轮自平衡机器人的研究一、本文概述随着科技的不断发展,机器人技术已成为当今科技领域的研究热点之一。
其中,两轮自平衡机器人作为一种具有高度自主性和稳定性的机器人,其研究和应用受到了广泛关注。
本文旨在深入探讨两轮自平衡机器人的基本原理、技术特点、控制方法以及在实际应用中的挑战与前景。
本文将简要介绍两轮自平衡机器人的发展历程和现状,分析其在不同领域的应用价值。
接着,重点阐述两轮自平衡机器人的关键技术,包括传感器技术、控制算法、动力学建模等方面。
在此基础上,本文将探讨如何设计和实现一种稳定、高效的两轮自平衡机器人,并分析其在实际应用中可能遇到的问题和挑战。
本文还将对两轮自平衡机器人的未来发展趋势进行展望,探讨其在智能交通、物流运输、娱乐休闲等领域的应用前景。
通过本文的研究,旨在为相关领域的研究人员和爱好者提供有益的参考和启示,推动两轮自平衡机器人技术的进一步发展和应用。
二、两轮自平衡机器人基础理论两轮自平衡机器人,又被称为双轮自稳定车或自平衡电动车,是一种新型的个人交通工具。
其设计灵感来源于倒立摆的原理,通过复杂的电子系统和精密的机械结构,实现了无人驾驶下的动态平衡和稳定行走。
在理解两轮自平衡机器人的工作原理之前,我们首先需要了解几个核心的理论基础。
动力学模型:两轮自平衡机器人的动力学模型是理解其运动行为的基础。
它通常被简化为一个倒立摆模型,其中机器人被视为一个质点,通过两个轮子与地面接触。
这个模型需要考虑重力、摩擦力、电机扭矩等因素,以及机器人的姿态(如俯仰角和偏航角)和速度。
控制理论:为了保持平衡,两轮自平衡机器人需要实时调整其姿态和速度。
这通常通过控制理论来实现,特别是线性控制和非线性控制理论。
例如,PID控制(比例-积分-微分控制)被广泛用于调整机器人的姿态和速度,而模糊控制、神经网络控制等先进控制方法也被应用于提高机器人的稳定性和适应性。
传感器技术:传感器是两轮自平衡机器人感知环境和自身状态的关键。
两轮自平衡机器人设计详述近年来,随着移动机器人研究不断深入、其应用领域更加广泛,面临的环境和任务也越来越复杂。
有时机器人会遇到比较狭窄,而且有许多大转角的工作场合,如何在这样的环境里灵活快捷的执行任务,成为人们颇为关心的一个问题。
两轮自平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的,这种机器人两轮共轴、独立驱动,车身重心倒置于车轮轴上方,通过运动保持平衡,可直立行走。
由于特殊的结构,其适应地形变化能力强,运动灵活,可以胜任一些复杂环境里的工作。
以前对于两轮自平衡机器人的运动控制的研究,理论上取得了许多开创性的进展,但这样的算法依赖于精确的模型和完整的信息,大多停留在理论研究和仿真的阶段实际,应用中并不多见。
大部分实际应用的移动机器人左右轮的运动控制都是基于双闭环的电机控制,直接将电压作为控制量,利用模拟电子电路进行控制[1]。
这样控制策略存在着精度低、可靠度差、效率低等缺点。
本文针对两轮自平衡机器人在实际应用中存在的问题,应用最优控制及两轮差动等控制方法设计了控制器,提出了针对两轮自平衡机器人平衡和行进的新策略。
为了提高两轮自平衡机器人的控制效果,利用基于DSP数字电路的全数字智能伺服驱动单元IPM100分别精确控制左右轮电机,并利用上位机实时控制机器人的运动状态,提高了控制精度、可靠度以及集成度,最终得到了很好的控制效果。
2 两轮自平衡机器人的动力学模型两轮自平衡机器人的结构主要由车身和双轮构成,机器人两轮参数(质量、转动惯量、半径)相同、共轴、独立驱动,车身重心倒置于车轮轴上方,通过运动保持平衡,可直立行走。
车轮不但受电机的输出转矩、地面支持力、摩擦力的影响,同时还通过电机轴受到机器人车身作用力[2][3]。
机械结构如图1所示:图 1两轮自平衡机器人机械结构图分别以车轮、车身为研究对象,分别列出车轮、车身方程,左右两轮具有对称性,左轮方程为:(1)m ——车轮质量(kg);J ——电机转子及车轮等效在电机轴上的转动惯量( );r ——车轮半径(m);w L——左轮转速(rad/s);T mL——左轮电机电磁转矩( )H L——左轮承受的车身水平作用力(N);由车身得到方程:(2)n v、a v——分别为质心水平、竖直位移;V 、H ——分别为车轮从水平、竖直方向施加给车身的力(N);l——质心距车轮轴距离;——车身竖直倾角;m p——车身重量;两轮自平衡机器人平衡后,可假设车身倾角在±5范围内。
两轮自平衡机器人控制系统设计与实现一、本文概述随着科技的发展,智能机器人技术正逐渐成为研究和应用的热点。
两轮自平衡机器人作为一种典型的移动机器人,具有结构简单、控制灵活等特点,广泛应用于工业、家庭和服务等多个领域。
本文旨在探讨两轮自平衡机器人的控制系统设计与实现,以期为相关领域的研究提供有益的参考。
本文将对两轮自平衡机器人的系统架构进行详细阐述。
包括机器人的硬件结构、传感器选型以及控制系统的软件框架。
接着,本文将重点分析两轮自平衡机器人的控制策略。
包括基于经典控制理论的PID控制方法,以及更先进的自适应控制、模糊控制等智能控制策略。
本文还将讨论两轮自平衡机器人在实际应用中面临的关键技术挑战,如动态平衡控制、路径规划、障碍物避障等,并提出相应的解决方案。
通过仿真实验和实际测试,验证所设计控制系统的有效性和稳定性。
本文将全面展示两轮自平衡机器人控制系统的设计与实现过程,为两轮自平衡机器人的研究和发展提供理论支持和实践指导。
二、自平衡机器人系统概述传感器系统:传感器系统用于检测机器人的状态,包括倾斜角度、角速度等。
常见的传感器包括加速度计、陀螺仪和编码器等。
这些传感器为控制系统提供了实时反馈,使得机器人能够快速响应外界变化。
控制系统:控制系统是自平衡机器人的核心部分,负责处理传感器采集到的数据,并控制机器人的动作。
控制系统通常采用闭环控制策略,如PID控制、模糊控制等,以实现机器人的稳定平衡。
执行器系统:执行器系统包括机器人的驱动轮和驱动电机。
控制系统根据传感器采集到的数据,通过调整电机的转速和转向,来控制机器人的运动,从而实现平衡。
通信系统:通信系统使得自平衡机器人能够与外部设备进行数据交换,如与计算机或其他机器人进行通信,实现更复杂的功能和应用。
能源系统:能源系统为自平衡机器人提供所需的电能。
通常,自平衡机器人采用充电电池作为电源,以保证机器人的长时间运行。
自平衡机器人在很多领域都有广泛的应用,如娱乐、教育、军事和科研等。
两轮自平衡机器人的研究两轮自平衡机器人作为一种具有挑战性的研究课题,已经吸引了国内外众多科研机构和企业的。
目前,研究者们在理论建模、控制算法设计、传感器融合等方面取得了显著的成果。
然而,在实际应用和商业化方面,两轮自平衡机器人的发展仍面临诸多挑战,如稳定性、续航能力、环境适应性等方面的问题。
两轮自平衡机器人的技术原理主要涉及动态控制算法、传感器技术和机械结构设计。
动态控制算法是实现机器人平衡的关键,包括基于模型的控制和无模型的控制。
传感器技术主要包括加速度计、陀螺仪和编码器等,用于实时监测机器人的姿态和位置信息。
机械结构设计则关系到机器人的稳定性和灵活性,涉及到轮子、电机、支架等多个部分。
两轮自平衡机器人具有广泛的应用前景,如机器人竞赛、医疗康复、建筑施工等。
在机器人竞赛方面,两轮自平衡机器人是各类竞赛的重要项目之一,涉及到机器人的速度、稳定性、灵活性等多个方面。
在医疗康复领域,两轮自平衡机器人可以辅助病人进行康复训练,提高康复效果。
在建筑施工领域,两轮自平衡机器人可以用于环境监测、地形勘测等方面。
随着科技的不断发展,两轮自平衡机器人的研究方向也将更加多元化。
未来,两轮自平衡机器人将朝着智能化、自主化和模块化的方向发展。
智能化将使得机器人具备更强的环境感知和决策能力,自主化则将提高机器人在复杂环境下的自适应能力,而模块化将为机器人的设计和应用提供更大的灵活性。
随着5G技术的普及,两轮自平衡机器人的远程控制和集群控制也将成为未来的研究热点。
两轮自平衡机器人作为机器人技术的一个重要分支,具有广泛的应用前景和挑战性。
本文对两轮自平衡机器人的研究现状、技术原理、应用领域及未来发展趋势进行了全面梳理。
目前,两轮自平衡机器人的研究已经取得了诸多成果,但仍存在诸多挑战性问题需要解决。
未来,研究者们需要不断探索新的理论和方法,以推动两轮自平衡机器人的发展,从而实现机器人在更多领域的应用价值。
在当今的高科技时代,智能机器人已经成为了人们的焦点。
两轮自平衡移动机器人系统设计
两轮自平衡移动机器人具有两个同轴且独立驱动的轮子,能够自动完成姿态平衡,转弯半径小,甚至可以原地转弯和任意转向,运动轨迹比传统的多轮机器人和履带式机器人更为灵活,而且克服了多轮系统结构复杂的缺点,使其适用于面积狭小的复杂场合。
两轮自平衡移动机器人是一种难得的承载平台,对于人类生活、工业生产、科学研究都具有重要价值。
本文根据两轮自平衡移动机器人的结构特点和运动特性,建立了基于倒立摆的力学模型,并对其进行理论分析,通过分析传递函数的零极点分布,进而得到系统平衡的条件,并提出控制方案。
利用陀螺仪和加速度计采集系统的加速度和角速度,但这些参数受到多种不确定性的影响,所以并不准确,本文通过数据融合滤波为系统模型提供更准确、更平滑的姿态信息。
为使系统模型平衡,还加入了反馈控制,通过合适的PID算法来实现系统自动平衡运动。
本文通过仿真,证实了卡尔曼滤波不但能及时反应当前机器人的倾角变化,而且输出的数据曲线更加平滑,利用卡尔曼滤波可以为自平衡系统模型提供更准确的姿态信息。
本文利用设计的硬件电路和软件程序,对融合滤波模块、PID控制模块等进行总装验证,通过对PID的调试,双轮自平衡系统可以实现直立运动平衡,运动中转弯等功能,且运行平稳,实现了预期的设计效果。
一种自平衡两轮移动机器人的设计实现摘要本文基于仿人智能控制研究了有关自平衡两轮移动机器人运动控制问题,通过分析自平衡两轮移动机器人的运动特性,设计了基于动觉智能图式仿人智能控制的控制器,并在嵌入式RT-Linux操作系统下实现了机器人软件设计。
本文还应用Matlab/Simu2link仿真软件进行了机器人的仿真实验,并得到了较好的实验结果。
关键词两轮移动机器人;仿人智能控制;动觉智能图式;ARM9;RT-Linux0 引言自平衡两轮机器是一个典型的非线性、强耦合、多变量、时变和自然不稳定系统,是近年来研究倒立摆与机器人控制问题的又一研究平台,是检验各种控制理论的理想模型。
仿人智能控制理论从分层递阶智能控制系统的最低层(运行控制级)着手,充分应用已有的控制理论成果和计算机仿真结果,直接对人的控制经验、技巧和各种直觉推理逻辑,即人体的动觉智能进行测辨、概括和总结,并将其编制成各种简单实用、精度高、能实时运行的控制算法(动觉智能图式),直接应用于实际控制系统。
本文依据动觉智能图式的仿人智能控制理论实现两轮移动机器人的运动控制,对自平衡小车机器人提出了控制思想。
1 系统结构以自平衡两轮机器人行走方向为X轴,车轮轴线为Y轴,铅垂线为Z轴,设整机质心为P点,系统模型可简化为如图1所示。
可以看出,该系统具有3个自由度:绕y轴的转动,转角和角速度;沿x轴的直线运动,位移xrm和移动速度vrm;绕z轴的转动,转角βz和角速度,在下文中即以该6个变量为状态变量。
系统的平衡靠电动机施加在左右轮轴上的驱动力矩TL和TR控制,系统的输入变量为TL和TR,输出变量为xrm,vrm,和βz,属于典型的多输入多输出系统。
2 基于仿人智能控制的控制器设计传统的控制方法必须基于被控对象的精确模型,而仿人智能控制的主导思想是对人的控制结构进行宏观模拟,然后在此基础上进一步研究人的控制行为并加以模拟,它的主要研究目标不是被控对象,而是控制器本身如何对控制专家行为进行模拟。
两轮自平衡机器人自主移动系统设计和应用两轮自平衡机器人结构简单,运动灵活,转弯半径小,适用于工作环境变化大、任务复杂的场合,如空间探索、地形侦察、危险品运输以及教育和服务机器人等领域。
随着智能技术的发展,研究具有自主移动能力的两轮自平衡机器人成为主要趋势。
两轮自平衡机器人具有高阶、非线性、多变量的特点,是一个动态平衡的欠驱动系统。
本文研究了两轮自平衡机器人的自主定位、地图构建和路径规划问题。
首先,综述了两轮自平衡机器人的自主移动研究中定位、建图和路径规划等问题的研究现状。
然后基于机器人操作系统(Robot Operating System,ROS)设计了一种两轮自平衡机器人自主移动系统,详细介绍了其硬件、软件设计。
其次,针对两轮自平衡机器人的静态不稳定的特点,易造成传统的视觉定位
的精度和地图构建的精度下降。
本文将惯性定位和视觉定位进行融合,降低了由于载体抖动对定位造成的影响。
再次,采用八叉树模型来构建三维栅格地图,有效减小了存储资源的消耗。
最后,研究了基于一种基于改进A*算法的路径规划问题,包括启发函数设计、动态加权评价函数的设计、以及路径平滑处理等问题。
将上述研究应用于两轮自平衡机器人系统中,实测实验表明两轮自平衡车的定位精度提高了一倍以上,地
图消耗的存储资源减少了90%以上,路径规划减少了路径成本和转弯次数,提高
了算法的速度和路径平滑度,实现了两轮自平衡机器人的自主移动。