两轮自平衡循迹小车毕业论文

1湖南工业大学本科毕业设计(论文)（2014届）本科毕业设计（论文）资料题目名称：双轮自平衡机器人的移动控制系统设计学院（部）：电气与信息工程学院专业：自动化学生姓名：肖春元班级：自动化104学号10401700519指导教师姓名：肖伸平职称教授最终评定成绩：湖南工业大学教务处1湖南工业大学本科毕业设计(论文)2014届本科毕业设计（论文）资料第一部分毕业论文1湖南工业大学本科毕业设计(论文)（（2014届）本科毕业设计（论文）学院（部）：电气与信息工程学院专业：自动化学生姓名：肖春元班级：自动化104学号10401700519指导教师姓名：肖伸平职称教授最终评定成绩2014年5月I湖南工业大学本科毕业设计(论文)I摘要论文主要是构建一个两轮小车的平衡模型。研究发现模型要实现自平衡,需要解决系统固有的动力学特性——多变量、非线性、强耦合、参数相互关联等许多问题，同时两轮比四轮更节能、方便等，因而具有较大发展前景和研究价值。论文主要构建一个类似倒立摆的单摆模型，建立模型的控制传递函数，分析系统零极点分配规律，通过反馈控制使系统满足稳定性、快速性、准确性的要求。在反馈控制中需要用到速度反馈和角度反馈。涉及的速度和角度反馈控制主要采用PID控制，且系统为离散系统，需要数字增量式PID控制。按照偏差的比例、积分、微分控制系统，使系统可以自动调节，找到系统需要的被控参数，并不断更新参数，使小车在动态中达到平衡。同时速度和角度测量都是采用惯性传感器，测量值与真实值有差别，容易受到外界和本身的电压和电磁干扰，测量的数据变化较大，若直接使用会使小车震动进而影响系统的稳定性。需要对测量数据进行滤波和数据融合，通过滤波可以使数据平滑，通过数据融合可以使测量数据的零漂和动态误差更小，最终使控制系统更稳定。在本设计中主要研究当前比较普遍的卡尔曼滤波、互补滤波以及数据的权重等。综合上述原理基本解决系统强耦合、多变量、非线性、参数相互关联的问题，使机器人自平衡。还设计了红外传感器模块检测黑白线辨识方向，从而实现智能循迹。整个系统用STC12C5A60S2作为控制核心，基本完成各项任务。关键字：自平衡小车，PID控制，卡尔曼滤波，互补滤波，STC12C5A60S2II湖南工业大学本科毕业设计(论文)IIABSTRACTThispaperismainlytoconstructabalancemodeloftworoundsofthecar.Studieshavefoundthatthismodelinordertorealizethebalanceandinherentdynamiccharacteristicsofthesystemneedtobesolved,multi-variable,nonlinear,strongcoupling,parametersofinterconnectedmanyproblems,suchas,atthesametimetwothanfour-wheeledmoreenergyefficient,convenient,etc.,thushaslargerdevelopmentforegroundandresearchvalue.Thethesisismainlytobuildasimplependulummodelofinvertedpendulum,analogymodelofthecontroltransferfunction,theanalysisofsystemzeropoleallocationrule,throughfeedbackcontrolsystemtomeettherequirementsofthestability,quicknessandaccuracy.Needtouseinthefeedbackcontrolspeedfeedbackandanglefeedback.InvolvedinthespeedandanglefeedbackcontrolmainlyadoptsPIDcontrol,andthesystemfordiscretesystems,digitalincrementalPIDcontrol.Accordingtothedeviationofproportion,integralanddifferentialcontrolsystem,thesystemcanautomaticallyadjust,findtheaccusedsystemneedparameter,andconstantlyupdateparameter,makethecarindynamicequilibrium.Inertialsensorusesspeedandanglemeasurementareallatthesametime,isthereadifferencemeasuredvaluesandtherealvalue,thevoltageandtheelectromagneticinterference(emi)isvulnerabletotheoutsideworldanditself,themeasureddataofchangeisbigger,ifusecanmakethecardirectlywillaffectthestabilityofthesystem.needformeasurementdatafilteringanddatafusion,throughthefiltercanmakethedatasmoothing,throughdatafusioncanmakethemeasurementdataofzerodriftandthedynamicerrorissmaller,eventuallymakecontrolsystemmorestable,inthisdesign,themainresearchofthecurrentcommonkalmanfilter,thecomplementaryfilter,andtheweightofthedata.Solvedthesystemintegratedthebasicprincipleofstrongcoupling,multivariable,nonlinearandparameterinterrelatedproblems,makeselfbalancingrobot.Thispaperalsodesignedtheinfraredsensormoduletestingidentificationofblackandwhitelinedirection,soastorealizetheintelligenttracking.ThewholesystemusesSTC12C5A60S2ascontrolcore,basiclytofinishthetask.Keywords：Twobalanceofthecar，PIDcontrol，Kalmanfilter，Complementaryfilter，STC12C5A60S2III湖南工业大学本科毕业设计(论文)III目录摘要........................................................................................................................ⅠABSTRACT...................................................................................................................Ⅱ第1章绪论............................................................................................................11.1研究背景.....................................................................................................11.2国内外研究现状.........................................................................................11.3本设计这要研究内容.................................................................................3第2章模型建立和理论分析...........................................................................42.1建立直流电机空间状态方程.....................................................................42.2车模的能控能观性.....................................................................................52.3建立平衡车倒立摆模型及零极点分布.....................................................62.4本章小结.....................................................................................................8第3章系统任务分解及总体设计构架.........................................................93.1任务分析.....................................................................................................93.2直立平衡控制.............................................................................................93.3速度控制.....................................................................................................93.4方向控制...................................................................................................103.5系统总体设计框架...................................................................................10第4章硬件选型及硬件电路.........................................................................114.1主控芯片STC12C5A60S2.....................................................................114.2电源模块.................................................................................................114.3电机驱动模