平衡小车的研究

本科生毕业设计（论文）开题报告题目：姓名：学号：年级：专业：指导教师：姓名职称学科枣庄学院教务处制2015年3月17日说明一、开题报告前的准备毕业设计（论文）题目确定后，学生应尽快征求指导教师意见，讨论题意与整个毕业设计（论文）的工作计划，然后根据课题要求查阅、收集有关资料并编写研究提纲，主要由以下几个部分构成：1．研究（或设计）的目的与意义。应说明此项研究（或设计）在生产实践上或对某些技术进行改革带来的经济与社会效益。有的课题过去曾进行过，但缺乏研究，现在可以在理论上做些探讨，说明其对科学发展的意义。2．国内外同类研究（或同类设计）的概况综述。在广泛查阅有关文献后，对该类课题研究（或设计）已取得的成就与尚存在的问题进行简要综述，只对本人所承担的课题或设计部分的已有成果与存在问题有条理地进行阐述，并提出自己对一些问题的看法。3．课题研究（或设计）的内容。要具体写出将在哪些方面开展研究，要重点突出。研究的主要内容应是物所能及、力所能及、能按时完成的，并要考虑与其它同学的互助、合作。4．研究（或设计）方法。科学的研究方法或切合实际的具有新意的设计方法，是获得高质量研究成果或高水平设计成就的关键。因此，在开始实践前，学生必须熟悉研究（或设计）方法，以避免蛮干造成返工，或得不到成果，甚至于写不出毕业设计（论文）。5．实施计划。要在研究提纲中按研究（或设计）内容落实具体时间与地点，有计划地进行工作。二、开题报告1．开题报告可在指导教师所在教研室或学院内举行，须适当请有关专家参加，指导教师必须参加。报告最迟在毕业（生产）实习前完成。2．本表（页面：A4）在开题报告通过论证后填写，一式三份，本人、指导教师、所在学院（要原件）各一份。三、注意事项1．开题报告的撰写完成，意味着毕业设计（论文）工作已经开始，学生已对整个毕业设计（论文）工作有了周密的思考，是完成毕业设计（论文）关键的环节。在开题报告的编写中指导教师只可提示2．无开题报告者不准申请答辩。一、选题依据（拟开展研究项目的研究目的、意义）目的：近年来，两轮自平衡小车的研究开始在美国、日本、瑞士等国得到迅速的发展。建立了多个实验原机型，提出来众多解决平衡控制的方案，并对原机型的自动平衡性能与运动特性进行了验证。通过对两轮自平衡系统的改造，可快速方便的应用到众多环境中去，如承载、运输、代步等。这其中蕴藏着巨大的商机，相应有些国外公司现在已经推出了商业化产品，并且已经投放到了市场。意义：两轮自平衡小车两轮共轴、独立驱动、车身重中心位于车轮轴上方，通过运动保持平衡，可以直立运动，因为特别的结构，它对于地形的变化有很强的适应能力，有着良好的运动性能，能够在比较复杂的环境里面的工作，和传统的轮式移动机器人相比较，两轮自平衡小车有着以下的几个优点：（1）能够实现在原地回转和任意半径的转向，有更加灵活易变的移动轨迹很好地弥补了传统多轮布局的缺点；（2）具有占地面积小的优点，能够在场地面积很小或者要求灵活运输的场合上使用；（3）车的结构上有很大的简化，可以把车做的更轻更小；（4）有着较小的驱动功率，能够让电池长时间供电，为环保型轻车提供了一种新的概念；（5)机器人的平衡是个动态过程；机器人在平衡点附近不停地变化进行调节以保持平衡；（6)重心的高度对小车运动和硬件设计的限制小。多轮(三轮或以上)移动小车虽然可以稳定地平衡，可是重心过高则小车启动或急停时，有倾倒的危险。因此重心必须要求很低，设计时总是拉大小车的水平截面积，降低高度。这样会造成小车体积变大，质量增加，某些功能会受到限制。两轮自平衡移动小车却无这方面的约束，重心的高低引起的不平衡已经通过动态平衡原理解决。因此重心的高低无严格限制，节省占地面积，可用在场地面积较小或要求灵活运输的场合；（7)驱动功率较小，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。鉴于这些特点，两轮自平衡小车有着相当广泛的应用前景。二、文献综述内容（在充分收集研究主题相关资料的基础上，分析国内外研究现状，提出问题，找到研究主题的切入点，附主要参考文献）目前国内外的研究和发展状况：两轮自平衡小车自问世以来，迅速成为研究各种控制理论的理想平台，具有重大的理论意义，这要归功于她不稳定的动态性能和系统所具有的非线性。近年来，两轮自平衡小车的研究开始在美国、日本、瑞士等国得到迅速的发展。建立了多个实验原机型，提出来众多解决平衡控制的方案，并对原机型的自动平衡性能与运动特性进行了验证。通过对两轮自平衡系统的改造，可快速方便的应用到众多环境中去，如承载、运输，代步等。这其中蕴藏着巨大的商机，相应有些国外公司现在已经推出了商业化产品，并且已经投放到了市场。国外方面：早在1986年，日本电通大学教授山藤高桥最先提出了两轮自平衡机器人的概念，并制造了一个在导轨上的两轮倒立摆机器人。这个基本的概念就是用数字处理器来侦测平衡的改变，然后以平行的双轮来保持机器的平稳。这款被山藤高桥称为平行自行车的机器人开创了两轮自平衡机器人研究的先河。在两轮自平衡小车的研究上，国外的专家和爱好者们取得了一系列的成果，以下介绍国外两个两轮自平衡小车：由美国科学家David.P.Anderson研发的两轮自平衡机器人Nbot基于倒立摆的小型自平衡两轮车模型，是由HCllrobotcontroller进行控制的。由瑞士联邦技术学院工业电子实验室的研究人员研制的名为JOE机器人，是由DSP芯片进行控制的，由瑞士联邦技术学院工业电子实验室的研究人员研制的名为JOE机器人，是由DSP芯片进行控制的，它由车架上方所附的重物模拟实际车中的驾驶者。国内方面：我国在两轮自平衡机器人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机器人，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；哈尔滨工业大学也有类似的双轮直立自平衡机器人，该系统采用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设计，使用了一套独特的软件算法，实现了该系统的平衡控制。近十年来，两轮自平衡机器人引起同外许多研究机构和机器人爱好者极大关注，各种基于不同目的、不同设计方案和控制策略的自平衡系统相继而生。在这方面国外的研究比较超前，研制出了一些具有代表性的机器人，国内的研究基本上处于理论研究与实践的初期，只开发出了少数的实验原型机。中国科学技术大学自动化系和力学系多位教授、博导、博士、硕士研究生和本科生联合研制完成的科研成果，又名自平衡电动代步车，是实用的两轮自动平衡车，己能实用化，两轮自平衡机器几是将倒立摆原理移植到移动机器人上的概念。关于倒立摆的研究多年来国内外已经研究非常成熟，其文献也相当之多，然而更重要的是如何将倒立摆有效地应用在移动机器人上。以上是国内外两轮自平衡小车的研究现状，这些小车都对本课题的研究提供了很好的指导作用。然而，这些机器人的有关资料中并没有对机器人速度控制的详细介绍。提出问题：怎样设计出一款可以独立行走的双轮自平衡小车，一个集动态决策和规划、环境感知、行为控制和执行等多种功能于一体的综合复杂系统，其关键是在解决自平衡的同时，还能够适应在各种环境下的控制任务。通过运用外速度传感器、角速度传感器等，可以实现小车的平衡自主前进。创新之处：利用惯性技术、模糊控制使两轮小车保持平衡，国内外都有一定的研究。本作品旨在前人的研究基础上，加上了自己的一些创新技术，使自己设计的小车满足一定场合的要求。创新点：使用MEMS陀螺、加速度计来测姿、测速等，采用模糊控制来控制小车，实现小车的平衡。特色：（1）能够实现在原地回转和任意半径的转向，有更加灵活易变的移动轨迹很好地弥补了传统多轮布局的缺点；（2）具有占地面积小的优点，能够在场地面积很小或者要求灵活运输的场合上使用；（3）车的结构上有很大的简化，可以把车做的更轻更小；（4）有着较小的驱动功率，能够让电池长时间供电，为环保型轻车提供了一种新的概念；（5)机器人的平衡是个动态过程；机器人在平衡点附近不停地变化进行调节以保持平衡；（6)重心的高度对小车运动和硬件设计的限制小。多轮(三轮或以上)移动小车虽然可以稳定地平衡，可是重心过高则小车启动或急停时，有倾倒的危险。因此重心必须要求很低，设计时总是拉大小车的水平截面积，降低高度。这样会造成小车体积变大，质量增加，某些功能会受到限制。两轮自平衡移动小车却无这方面的约束，重心的高低引起的不平衡已经通过动态平衡原理解决。因此重心的高低无严格限制，节省占地面积，可用在场地面积较小或要求灵活运输的场合；（7)驱动功率较小，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。参考文献：[1]徐国华，谭民.移动机器人的发展现状及其趋势[J]。机器人技术与应用，2001，14(3)[2]刘金琨.智能控制.北京：电子工业出版社，2005[3]刘斌.两轮自平衡小车软硬件研发与基于模糊线性化模型的变结构控制研究.西安电子科技大学工学硕士学位论文.2009[4]梅晓榕.自动控制元件及线路.哈尔滨工业大学出版社.2004[5]张琛.直流无刷电机原理及应用.机械工业出版社.2009[6]尔桂花,窦曰轩.运动控制系统.清华大学出版社.2002[7]阮毅,陈伯时.电力拖动自动控制系统:运动控制系统(第四版).机械工业出版社.2009[8]陈永军,黄声华,翁惠辉,李俊杰.基于dsPIC的直流无刷电机调速系统方案[J].电机与控制应用，2006[9]孔祥宜.自主式双轮动态平衡移动机器人的控制系统研究.上海交通大学硕士学位论文.2007[10]张吉昌.单轴双轮自平衡代步车的研究与设计.中国海洋大学硕士论文.2009[11]谢克明.自动控制原理[M].北京:电子工业出版社,2009.[12]康华光.电子技术基础[M]..北京:高等教育出版社,2006.1.[13]谭浩强.C程序设计[M].北京:清华大学出版社,2005．[14]周丰,王南山,陈卉.C语言教程[M].武汉:华中科技大学出版社,2008.[15]邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法[M].北京:机械工业出版社,2004.[16]霍亮.两轮自平衡电动车的关键技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2010.三、研究方案（主要研究内容、目标，研究方法）研究内容：（1）小车的硬件设计；（2）控制系统的设计；（3）信号调理及控制电路设计；（4）PID控制算法研究目标：按照设计的一般步骤，对基本功能部分控制要求，设计要求，以及使用说明。每一步都按照设计的一般规则，进行准确计算。完成基于单片机的自平衡小车的系统设计。研究方法：1对两轮自平衡小车进行硬件设计，根据目标任务实际相应的控制机构和执行机构。2用拉克朗日平衡法建立系统的数学模型，并给出系统在各种状态下的数学模型。3从系统的线性模型出发，分析系统的控制性能和稳定性。4运用变结构控制理论的基础知识，基于变结构控制的最终滑动模态理论设计系统的自平衡控制器。5利用计算机仿真，比较滑模控制器与反馈控制器对于干扰和参数的不确定性的消除能力，证明设计控制器的有效性和合理性。四、进程计划（各研究环节的时间安排、实施进度、完成程度）工作安排：2013年10月—2014年1月收集资料2014年2月修改开题报告2014年3月毕业论文开题2014年4月上交毕业论文初稿，学院组织毕业论文中期检查2014年5月上交毕业论文二稿，形成论文定稿2014年6月组织毕业论文答辩五、指导教师对开题报告的评语签字：20年月日六、专业意见专业负责人签字：20年月日七、学院意见学院（章）：学院负责人签字：20年月日