两轮自平衡电动车控制系统的研究与设计.doc

两轮自平衡电动车控制系统的研究与设计 摘 要：两轮口平衡电动车系统是针对典型的、高阶次的、不稳定、多变量、非线性和强耦合控制控制 系统进行研究的倒立摆系统。首先，为了提高系统精度和控制的准确性，对加速度计和陀螺仪进行了标定， 引入卡尔曼滤波器进行数据融合；然后根据码盘测出英水平位置的线速度，通过积分得到位置：最后利用 LQR算法控制自平衡电动车系统的位置及姿态。从而实现两轮自平衡电动车自主保持车体动态平衡，完成前 进、后退和转弯等功能。 关键词：两轮自平衡电动车，控制系统，滤波，设计 汽车作为一种城市交通工具，改变了人类的出行方式和生活习惯，成为城市不可或缺的 一个重要组成部分，是人类社会100多年工业文明的杰出代表。但随着历史进程的不断发展, 它带来的诸多问题也逐渐显现出来，困扰甚至威胁着人类的社会发展及生存环境。据统计， 42%的环境污染物来源与燃油汽车的排放有关山。 正是在这样的背景下，研究人员提出了自平衡式两轮电动车的概念。这类电动车属于轮 式移动机器人，其重心倒置于轮轴上方，两个车轮平行共轴放置，且各由一个直流电机单独 驱动；由于该系统具有自不稳定特性，工作时需通过倾角传感器和电机的联合运行，并采用 倒立摆的平衡控制原理自主保持车体动态平衡，从而完成前进、后退和转弯等功能门叫。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。与传统轮式移动机器人相 比，两轮自平衡机器人主要有如下优点： 1、 转弯灵活，实现了原地回转和任意半径转向，移动轨迹更为灵活易变，能很好的弥补 传统多轮布局的缺点； 2、 减小了占地面积，在场地而积较小或要求灵活运输的场合十分适用： 3、 大大地简化了车体结构，可以把机器人做得更小更轻； 4、 驱动功率也较小，为电池长时间供电提供了可能，为环保轻型车提供了一种新的思路。 通过对国内外两轮自平衡电动小车的研究，他们都有以下儿个部分组成：感知系统、控 制系统、机械系统。整个双轮自平衡小车其实就是一个集以上三个系统为一休的综合系统⑸。 围绕该综合系统研究的核心问题是如何解决小车在各种行驶状态和各种外界环境下如何自动 保持车体系统的平衡。 2、机械结构设计 两轮自平衡机器人机械部件由铝合金构成，功能为承载电子电路系统与负载C 车身机械结构主要分为两部分：上半身杆子部分和车身平台部分。在车身底盘的左右两 侧分别装置一个有刷直流电机。在车身平台部分装有供电，电源和控制整个系统的电路板。 模型如图1所示，实物如图2所示。 两轮自平衡机器人的控制系统和动力均由锂电池供电。系统主要有两种电源，分别为 18V和36V。系统中起主要作用的是36V电源。 图2实物图图 图2实物图 图1模型图 3、硬件系统设计 3.1传感器的选择 传感器既用于内部反馈控制，也用于感知与外部环境的相互作用。在两轮自平衡机器人 屮，当两轮自平衡机器人运动时，传感器等将信号传送给控制器，由其判定两轮自平衡机器 人的运动状态。根据传感器测量的运动学及动力学参数，来控制两轮自平衡机器人，使其按 规定的轨迹、速度、加速度大小进行运动。 3.1」陀螺仪 陀螺仪可算是非常复杂的物体，因为它们以独特的方式运动，甚至像在抵抗重力。正是 这些特殊属性使其在各个方而（包括自行车和宇宙飞船上的先进导航系统）都有极为重要的 用途。一般的E机要用约10多个陀螺仪，遍布在罗盘和自动驾驶仪等各个地方。 该两轮自平衡电动车使用的enc-03是一种应用科氏力原理的角速度传感器，他输出一个 和角速度成正比的模拟电压信号。 3.1.2加速度计 MMA845X系列是一款具有14位分辨率的智能低功耗、三轴、电容式微机械加速度传感 器。这款加速度传感器具有丰富嵌入式功能，带有灵活的用户可编程选项，可以配置多达两 个屮断引脚。嵌入式屮断功能可以节省整体功耗，解除主处理器不断轮询数据的负担。该器 件可被配置成利用任意组合可配置嵌入式的功能生成惯性唤醒屮断信号，这就使MMA8452Q 在监控事件同时，在静止状态保持低功耗模式。 3.1.3调试数据传输模块 nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.4?2.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、 功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输岀功率和通信频道可通过程序进行配置。 芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA,接收时工作电流只有 18mA,多种低功率工作模式，节能设计更方便。其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用 同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nRF2401适用于多种无线通信的场合，如无线数 据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。 3.2控制器的设计 系统的核心是kinetis 60主控板电路模块。该模块主要负责：车轮转动速度信号，陀螺仪 AD转换以及加速度I