智能小车直立循迹的控制算法研究3.pdfVIP

智能小车直立循迹的控制算法研究 1 引言 1.1 研究背景介绍 教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，在已举办全国大学生数 学建模、电子设计、机械设计、结构设计等几大竞赛的基础上，研究决定，委托教育部 高等学校自动化教学指导分委会主办每年一度的全国大学生智能汽车竞赛，并成立了由 教育部、自动化分教指委、清华大学、飞思卡尔半导体公司等单位领导及专家组成的“第 一届‘飞思卡尔’杯全国大学生智能汽车邀请赛”组委会。该竞赛是为了提高大学生的 动手能力和创新能力而举办的，具有重大的现实意义。与其它大赛不同的是，这个大赛 的综合性很强，是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感、电子、 电气、计算机和机械等多个学科交叉的科技创意性比赛，这对进一步深化高等工程教育 改革，培养创新意识，培养本科生从事科学、技术研究能力，培养硕士生知识、技术创 新能力具有重要的意义。 智能车的开发与设计涉及到多个专业领域，对于大学生综合素质的培养，知识面的 拓展和分析问题解决问题的能力的提高很有意义，并且有利于提高大学生的动手能力、 激发创新能力。尤其是对大学生运用理论知识的能力以及实际操作动手实践能力的培养 非常重要。 2012 年8 月将举行第七届全国“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛，本届赛事首次设立 车模直立行走竞赛，车模直立平衡循迹是要求仿照两轮自平衡电动车的行进模式，让车 模以两个后轮驱动进行直立行走。其利用了原有车模双后轮驱动的特点，实现两轮自平 衡行走。相对于传统的四轮行走的车模运行模式，车模直立行走在硬件设计、控制软件 开发以及现场调试等方面提出了更高的要求。两轮自平衡智能小车已经在科研、工业、 军事等领域有了广泛的发展，甚至已经生产出相应的代步产品。 1.2 研究现状分析 1.2.1 国外研究现状 2002 年，由瑞士联邦工业大学电子实验室的研究人员研制的名为 JOE 的机器人是 由DSP 芯片控制的。其最大运动速度可达1.5m/s,由于两轮平行布置，每轮各装有一个 直流电机驱动，它能稳定地做U 型回转。设计者的控制策略是基于状态反馈的线性控制， 采用解耦状态空间控制器来使系统保持平衡，他们认为自适应模糊控制可以使JOE 的抗 1 智能小车直立循迹的控制算法研究 干扰能力提高，控制品质上升。 美国Segway 公司研制的Segway HT，控制系统由陀螺仪组、倾角传感器、嵌入式 计算机和电机构成，平衡时每秒 10ms 检测驾驶者重心位置一次，没安装刹车和加速系 统，车速完全由驾驶者重心位置决定，能在湿漉地面和雨雪天气时使用（雪天采用 snow tires 更平稳、安全）。此款产品的特点是：自我平衡能力（五个陀螺仪同时工作提高系 统精度和可靠度），运行中智能充电系统，高科技机电系统如固态陀螺仪和无刷直流伺 服电机，用于容错的冗余系统。 1.2.1 国内研究现状 我国在两轮自平衡智能车方面的研究也取得了一定的成就： 西安电子科技大学研究出了自平衡两轮智能车，它是一种两轮式左右并行布置结构 的自平衡系统。它利用伺服放大器ADS 作为控制器，选择两个Maxson 电机作为执行元 件，采用自适应神经模糊控制器对小车这一非线性对象进行大范围控制，从而实现系统 的自平衡。 哈尔滨工业大学研制的智能小车采用 DSP 作为控制核心，车体倾斜角度检测采用 加速度传感器和陀螺仪，利用PWM 技术动态控制两台直流电机的转速，基于这些完备 而可靠的硬件电路设计，使用了一套相应的软件算法，实现了妨碍系统的平衡控制。 中国科学技术大学研制出了两轮自平衡代步电动车，它是一种两轮式左右并行布置 结构的巨头自平衡系统的电动车。在车体内嵌入式 CPU 的控制下，采集平衡传感器以 及速度、加速度传感器的数据，通过一定的控制算法，计算输出PWM 信号控制两个伺 服电机的转矩，使车体保持平衡并能够根据人体重心的偏移，自动前进、后退及转弯。 深圳固高科技有限公司研制的教学用自平衡小车，采用 85W 减速比为 10：1 的直 流伺服电机，24V 镍氢电池供电，在实现其平衡的基础上，其最大速度为 1.6m/s,最大 爬坡角度为20 度。 1.3 本文研究内容 本文尽量减少公式推导，采用通俗易懂的科