两轮平衡车直立控制开题报告
2021-12-12 06:12
1. 研究目的与意义及国内外研究现状
机器人在二十世纪的新兴产业中扮演着重要的角色。在第二十一世纪，机器人技术广泛活动于各个领域中，它给我们带来了巨大社会的利益和利润，更加便利了我们的生产生活。在过去的一个世纪里，机器人一般都是用来帮助或代替现代工厂中的人类的部分劳动。而在最近的十年，在日常环境中，如家庭或办公室，机器人已经越来越多地被使用。他们可由其能承担的主要任务分为保护机器人，服务机器人，探索机器人，娱乐机器人等。然而，为了适应机器人的具体应用，智能机器人需要一个特定的机械结构。因此，基于倒立摆的轮式自平衡机器人被提出。
轮式轮式自平衡机器人自从被提出以来，因其自身机械机构的特点——不稳定性，是验证各种新型控制算法的良好平台，迅速引起了国内外相关学者的关注。由倒立摆的轮式自平衡机器人具有灵活机动性和低能耗等特点，目前基于该种方法制作出来的产品已经应用于中小型体育场馆、机场、旅游景点的巡逻和安保任务。甚至作为了公安、武警等部门反恐工作中的反恐突击车使用。可见其应用前景相当广泛。
国内外研究现状
| 在过去的十年中，基于倒立摆的轮式自平衡机器人这个想法已经被世界各机器人重点实验室作为学术研究对象或实际应用对象来进行研究和探索。世界上第一两轮自平衡机器人是在1986年由日本电信邮电大学名誉教授Kazuo Yamafuji制作而成，这种根据人类行走方式所设计的机器人是用两个同轴圆轮代替人类的两条腿，中间使用一个水平平台连接两圆轮，如图1.1所示。由于该机器人在当时被只是实现了提出的轮倒摆式机械模型，并没有相关人员对其控制原理和控制方法进行考究，因而该机器人只能沿着事先设定好的轨道行走，不能完成原地回转，任意半径转弯等在当时来说是有难度的技术动作。 图1.2所示的equibot平衡机器人是Dani Piponi 制作的。他开始使用角度信息来对这种轮倒摆式机器人进行控制。它使用了一个敏锐的红外线传感器测量传感器与地面间的距离信息，推导出其倾斜角度。但是这种测量方法受外界干扰信息过大，且具有一定的非线性，故后来David P. Anderson在其nBot机器人上使用内置的惯性 测量单元（IMU）对机器人的姿态信息进行检测，并设计滤波器将加速度计信息与陀螺仪信息融合获得更加准确的姿态信息。如图1.3所示。
图1.1 日本电信邮电大学轮倒摆机器人 图1.2 equibot机器人图1.3 nBot机器人
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| 2002年美国发明家Dean Kamen联合其设计公司DEKA Research and Development Corp.设计了第一代Segway HT自平衡车，如图1.4所示。使之成为世界上第一个商用的轮倒摆式机器人或称两轮平衡车。该平衡车设计时速能达到20Km/h，行程高达24Km，且具有较强的爬坡能力。 Segway HT作为一个商用的两轮平衡车，其所使用技术的也是十分成熟的。该车使用了5个单轴惯性测量单元（加速度计、陀螺仪等）、2个倾斜传感器、编码器等传感器。在设计的时候，还考虑了使用的安全问题，以及复杂路面、环境（雨雪天气）的使用安全性等。作为第一款商用两轮平衡机器人，其售价也是相当昂贵。 图1.4 Segway HT两轮平衡车
2004年，中国科学技术大学成功研制了两轮自平衡机器人Free Mover，该车通过改变车身倾角调整车的前进或后退的速度。并且可以任意半径转弯，掉头。最大行驶速度为10Km/h，续航能力为30Km，整车重量为30Kg。 2007年，哈尔滨工业大学成功研制两轮自平衡机器人HITBot。该机器人由车身和车轮两部分组成。包含电源、传感器、电机、驱动电路、控制电路等模块、左右两轮安装在相同轴线上，由各自驱动电路、电机独立工作。HITBot重2Kg，轮距为0.2m，轮半径为0.007m，单轮重0.22Kg。 2015年小米科技公司联合Ninebot推出了高性价比，适合年轻人的两轮平衡车产品——九号平衡车，如图1.5所示。九号平衡车最高车速约16Km/h，续航约22Km，电机最大扭矩35Nm*2，电机控制方式使用电流和速度双闭环控制算法。百公里耗电量仅为1.1kWH。该车参展在浙江乌镇举办的第二届世界互联网大会。
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2. 研究的基本内容
本文以小型两轮平衡车模型研究对象，设计两轮平衡车必要的硬件系统和控制算法。本系统MPU60509轴传感器获得系统的姿态信息，当系统在重力的影响下导致的系统姿态发生改变时，通过控制算法来保证系统的稳定性。如何快速且高效的保证系统稳定性是本文的研究重点。本文将在对平衡车系统建模的基础上，找到系统姿态、系统速度之间耦合关系，设计自适应PID控制算法，结合硬件设备完成对平衡车系统的稳定控制。
3. 实施方案、进度安排及预期效果
首先，设计好平衡车系统的硬件电路模块，经调试确定可以正常工作后，搭建系统模型。开始采集各传感器信息，并作必要的数据处理，以保证传感器的数据正常、正确。开始设计控制算法，首先保证单独的角度环控制能够保证车模保证较稳定的直立转态，但此时外力的干扰对系统的稳定性影响较大，即系统鲁棒性不强。其次在角度控制的基础上再加上速度控制，是系统即使在外力干扰下也能保证稳定状态。最后，实现系统原地回转，灵活机动性等功能。
进度安排：
2014.12 - 2015.01查阅相关文献，搜集各模块资料；
4. 参考文献
[1] li z, yang c, fan l. advanced control of wheeled inverted pendulum systems[m]. springer london, 2013.
[2] 李红美, 李智, 高飞. 平衡的杰作——赛格威ht两轮平台电动车[j]. 电器工业, 2002(06):19-21.
[3] 屠运武, 徐俊艳, 张培仁,等. 自平衡控制系统的建模与仿真[j]. 系统仿真学报, 2004, 16(4):839-841.
