兩輪自平衡小車

摘要

近年來，兩輪自平衡電動(dòng)小車以其行走靈活、便利、節(jié)能等諸多特點(diǎn)得到了很大的發(fā)展。目前，國內(nèi)外有很多這方面的研究，而且有了相應(yīng)的產(chǎn)品，SEGWAY就是典型的代表。兩輪自平衡小車運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵是小車平衡的控制，在參考了大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)后，本文設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)基于體感識(shí)別技術(shù)的兩輪自平衡小車，通過3D攝像頭識(shí)別人體肢體的動(dòng)作，控制小車完成相應(yīng)的動(dòng)作，具體動(dòng)作有前進(jìn)、后退、停止、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎。本設(shè)計(jì)以陀螺儀和加速度計(jì)作為傳感器，采用32位ARM作為主控制器，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡小車的姿態(tài)控制。

控制器通過AD讀取傳感器的信號(hào)，經(jīng)過濾波算法濾波后進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合得到小車的姿態(tài)，控制算法根據(jù)小車的姿態(tài)計(jì)算出PWM信號(hào)，再通過閉環(huán)反饋控制，使小車穩(wěn)定運(yùn)行。

經(jīng)過制作和調(diào)試，兩輪自平衡小車可以穩(wěn)定運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗干擾能力和對(duì)復(fù)雜路面的適應(yīng)能力，能夠很好的完成動(dòng)作控制。

關(guān)鍵字：自平衡；陀螺儀；加速度傳感器；3D

1 緒論

本章簡要介紹了兩輪自平衡小車的研究意義和國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并說明了本論文各章節(jié)所講述的主要內(nèi)容。

1.1兩輪自平衡小車的研究意義

機(jī)器人技術(shù)一直以來都代表了面向未來的前沿技術(shù)，涉及技術(shù)范圍廣，如通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)學(xué)方法和仿生學(xué)等，是一個(gè)多學(xué)科的綜合高新技術(shù)。兩輪自平衡機(jī)器人自面世以后，迅速成為研究各種控制理論的理想平臺(tái)，理論意義重大。

兩輪自平衡小車兩輪在一條軸線上，分別由兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，車子中心位于車軸上方，通過車子前后運(yùn)動(dòng)保持平衡，可以直立行走，原地轉(zhuǎn)彎。由于特有的結(jié)構(gòu)，兩輪自平衡小車運(yùn)動(dòng)靈活，適應(yīng)地形變化能力強(qiáng)，可以在一些復(fù)雜環(huán)境里工作，這是傳統(tǒng)三輪或四輪小車所不能做到的。兩輪自平衡小車動(dòng)力學(xué)方程是一嚴(yán)重自不穩(wěn)、多變量、時(shí)變、具有參數(shù)不確定性的非線性高階方程，因而是一個(gè)高度不穩(wěn)定兩輪機(jī)器人。在運(yùn)動(dòng)學(xué)方程中得非完整性約束下，小車不僅要完成平衡控制，還要完成自主移動(dòng)和路徑跟蹤等多重控制任務(wù)，這給控制理論提出了很大的挑戰(zhàn)，是檢驗(yàn)各種控制方法處理能力的典型裝置。