两轮平衡机器人控制系统设计与实现

针对两轮自平衡机器人的研究现状,设计了自平衡机器人的控制系统,包括软件和硬件系统,传感器采用陀螺仪以及加速度来检测两轮自平衡机器人的重力方向的倾斜角度和车轮的旋转加速度,经过STM32控制器处理后,控制电机调整车轮状态,使机器人保持平衡。由于陀螺仪存在测量误差,加速度响应较慢,不能有效可靠的反应车身的状态,利用Kalman滤波算法将陀螺仪和加速度测量数据融合,可解算出俯仰角,得到一个优化的角度近似值。最后通过实验验证了自平衡机器人软硬件控制方案的可行性。     

基于STM32的单轴双轮自平衡小车的设计

单轴双轮小车是一种本质不稳定的机器人,具有结构简单、易于实现等特点。基于STM32设计了一个与倒立摆原理类似的单轴双轮自平衡小车系统：硬件结构,以单轴两端平行分布的两个步进电机为移动驱动装置,利用STM32F103VET6、MPU6050进行实时姿态采集,并通过DMP对姿态数据进行硬件解码;软件算法,采用串级PID。基于获得的姿态数据,控制器STM32通过PID控制算法计算出合理脉冲频率及脉冲数,实现对两个步进电机的实时动态控制,使小车保持自平衡。另外,基于安卓手机平台和蓝牙数据传输技术,操控手机APP完成对小车系统的实时控制。     

基于双飞轮陀螺效应的两轮自平衡机器人的研制

鉴于现今已有的平衡技术的不足,论文以飞陀螺效应为理论基础,介绍了两轮自平衡机器人的研制。首先搭建了单飞轮自平衡装置实验平台,基于矢量动力学建立单飞轮自平衡系统的动力学模型;基于PD控制理论推导单飞轮自平衡系统的控制方程组;最后以单飞轮自平衡实验为基础,研制双飞轮陀螺效应的自平衡机器人。以STM32单片机为系统控制核心,以安卓智能手机为遥控平台,以HC-06为车载蓝牙模块,设计两轮自平衡遥控机器人。实验结果表明该机器人具有在一定运动速递时仍具有良好的平衡性能和抵抗外部强烈冲击的特点。     

三关节欠驱动休操机器人的LQR倒立平衡控制

针对欠驱动体操机器人倒立平衡控制问题,给出一种基于动力学模型的三关节欠驱动体操机器人平衡控制方案。首先将三关节欠驱动体操机器人简化为一个在垂直平面上运动的三关节机器人,采用拉格朗日力学方法建立动力学模型,并推导出体操机器人系统状态方程,然后设计LQR控制器,使体操机器人稳定在不稳定的倒立平衡点,最后进行了仿真,结果表明LQR控制器实现了在两输入情况下允许的稳态误差快速响应。     

一种独轮车机器人的动力学建模及俯仰平衡控制

针对一台3驱动独轮车机器人系统,分析了其动力学特性并给出了一种可以实现其前后俯仰平衡运动的控制方法。根据行走轮与地面接触的非完整约束特性,引入Chaplygin方程建立系统的动力学模型,结果发现独轮车机器人是一个具有6个独立广义速度、3个欠驱动自由度的欠驱动系统。考虑车体俯仰平衡运动的力学子系统,采用部分反馈线性化方法,将其中的欠驱动车体俯仰角线性化,并选择车体俯仰角和行走轮转动角为输出,设计了系统俯仰平衡运动的非线性控制器。最后通过数值仿真控制与物理样机实验验证了所设计控制器的有效性。     

两轮自平衡载运工具驱动电机分数阶PID控制器设计

研究了一种两轮自平衡载运工具的驱动电机及其分数阶FOPID控制算法。FOPID控制器针对两轮自平衡载运工具的不确定性和不同载荷所引起的不同速度需求,提供连续的良好驱动性能。建立了驱动电机的状态方程,并采用分数阶方法建立驱动电机速度环的控制模型,两轮自平衡载运工具驱动电机的性能进行实验研究与分析,最后开发了STM32嵌入式系统的电机驱动模块。驱动电机速度环的仿真实验表明:FOPID具有比传统PID更好的性能,其超调量可减小为28.6%,调整时间可减小到1.25 s,提出的FOPID控制器能够较好地实现两轮自平衡载运工具的稳定驱动控制。     

自平衡两轮电动车控制系统仿真研究

首先分析了自平衡两轮电动车的数学模型和无刷直流电机(BLDC)的数学模型,之后在MATLAB/SIMULINK中分别建立了自平衡两轮电动车的机械仿真模型以及无刷直流电机的转速和电流双闭环驱动系统的仿真模型。分别采用PID控制算法和模糊控制算法作为自平衡两轮电动车系统的平衡控制算法,联合了自平衡两轮电动车的机械模型和无刷直流电机双闭环驱动模型,从而建立了自平衡两轮车控制系统的仿真模型。仿真结果表明模糊控制器更适用于本系统,并通过改变车身质量和车身质心高度来检验自平衡车系统算法的鲁棒性,对比分析了实验结果。     

两轮自平衡机器人转向稳定性优化研究

由于两轮自平衡机器人具有占地小、可零半径转弯等特点,该类机器人被广泛用于个人交通工具和机器人移动平台。当两轮自平衡机器人快速转向时,由于重心较高,机器人受离心力影响容易侧向倾覆。针对两轮自平衡机器人转向稳定性进行了分析,在此基础上为传统两轮自平衡机器人增加了摇摆自由度。利用摇摆自由度,机器人可以在转向时主动配置重心位置,进而提高了机器人转向稳定性和安全性。在建立机器人动力学模型基础上,设计了摆动自由度控制器,并通过实验验证了可行性而有效性。     

基于STM32的电动车控制系统设计

针对当前日益严峻的环境问题,基于两轮自平衡车在体积、灵活性方面的优势,提出一种两轮自平衡电动系统.在硬件方面,以STM32作为主控芯片,利用传感器对两轮车的加速度、旋转角速度等进行测量,并通过IR2111芯片对电机进行驱动;在软件方面,利用卡尔曼滤波对采集到的倾角信号进行处理,同时引入PID控制思想对两轮自平衡车进行控制.最后通过仿真得到比较稳定和均匀的PID控制波形,从而验证了设计方法的可行性.     

基于自抗扰控制算法的两轮自平衡车分析

为解决两轮自平衡车因系统的不确定和驾驶者的不同而导致它的系统参数变化的问题,将自抗扰控制(ADRC)技术应用到两轮自平衡车的自适应控制中。该系统是以加速度计、陀螺仪为姿态传感器,与连有同轴的永磁有刷直流电机为执行机构的两轮自平衡车,考虑车轮与地面的摩擦力因素,通过物理学分析,运用牛顿力学方程建立了系统对应的非线性数学模型,得到了其状态空间方程,将系统解耦成平衡与转向两个独立的子系统,应用自抗扰控制技术估算出系统的总扰动,对系统进行了控制补偿,提出了基于自抗扰控制算法来实现两轮自平衡车的控制的方法。在Matlab中的Simulink模型/建模平台上进行了仿真评价,并通过搭建实验平台进行了不同路况的试验验证。试验结果表明:自抗扰控制技术能够满足两轮自平衡车控制的目标,可以用来控制两轮自平衡车系统。     

关于物流机器人的构建设计

本文发明公开了一种基于单片机的多联动物流机器人,包括四轮移动组件、用于驱动四轮移动组件运动或转向的差速电机驱动系统、用于实现多联动功能的多机器人联动系统、用于控制差速电机驱动系统的主控系统以及用于提供电能的电源模块,四轮移动组件包括机器人底座、设置在机器人底座下方的辅助左右轮和两个驱动前后轮,机器人底座上还设置有避障模块,并且将ST89C52作为了核心控制系统,以此来实现对单片机的控制,增加了该机器人的循迹、避障和多联动功能,使其整个工作过程更加可靠,保证了搬运操作的可持续性,大大提高了搬运速度,提升了物流运输的工作效率。     

三关节欠驱动体操机器人的LQR倒立平衡控制

针对欠驱动体操机器人倒立平衡控问题,给出一种基于动力学模型的三关节欠驱动体操机器人平衡控制方案.首先将三关节欠驱动体操机器人简化为一个在垂直平面上运动的三关节机器人,采用拉格朗日力学方法建立动力学模型,并推导出体操机器人系统状态方程,然后设计LQR控制器,使体操机器人稳定在不稳定的倒立平衡点,最后进行了仿真,结果表明LQR控制器实现了在两输入情况下允许的稳态误差快速响应.     

基于FPGA的嵌入式双轮自平衡小车系统设计

本次设计研究了基于FPGA的嵌入式双轮自平衡小车的工作原理,利用Altera公司提供的DE0开发板制作了一套双轮自平衡小车系统。所谓双轮自平衡小车,是指小车只具有两个轮子能够自己实现平衡。小车两侧装着具有独立功能的步进电机,以用来驱动两个轮子的转动。在DE0开发板的控制下,可从倾角传感器接收到倾角信号,通过PID控制算法控制步进电机的正反转和速度,从而使小车保持动态平衡。     

轮腿式机器人的姿态耦合优化控制

轮腿式移动机器人在不平坦地形下运动时涉及三个相互关联的控制问题：稳定性控制、驱动牵引力控制和姿态控制。建立了适合于描述轮腿式机器人姿态的运动学模型,提出了轮腿运动模式下的稳定性函数和驱动牵引控制函数,为使机器人具有良好的地形适应能力、越障性能及运动稳定性,在综合分析机器人稳定性和驱动牵引特性的基础上,提出并构建了结合稳定性和驱动牵引性能的轮腿式机器人耦合优化控制准则,并实现了机器人姿态的优化控制,最后通过实验验证了该方法的可行性。     

基于两轮自平衡机器人组合定位方法的研究

对两轮自平衡机器人的运动控制过程中相对定位的问题进行了研究.根据两轮自平衡车的特点,对诸如车轮打滑、碰撞、越障及转向等运动情况下的位置传感器和姿态传感器的信号进行了分析,提出了将光电码盘、MEMS陀螺仪与MEMS加速度计数据融合的方法,对机器人的位姿进行检测估计,从而解决了采用传统的单一位置传感器对机器人测程不准确的问题.同时也降低了陀螺仪、加速度计固有漂移的不利影响,提高了两轮自平衡机器人的定位精度.通过对两轮机器人分别进行直线运动实验、越障实验和异常碰撞试验,验证了两轮自平衡机器人组合定位方法的合理性和有效性.     

基于MMA7260两轮自平衡小车控制系统设计

两轮自平衡小车运动控制的关键是小车平衡的控制.本文设计并制作了一台以MMA7260加速度传感器为姿态敏感元件,采用STC12C5A60S2单片机作为主控制器,通过L298电机驱动模块驱动双向直流电机实现两轮自平衡小车的姿态控制.将涉及到具体硬件的控制程序进行了分离和封装,因此小车可以作为验证各种控制算法性能的理想物理平...     

基于轮球自平衡机构的机器人设计

通过轮球自平衡原理设计了机器人机构,应用多传感器完成该机器人自平衡姿态控制器设计,其中通过姿态传感器实时检测机器人姿态,并应用卡尔曼滤波对陀螺仪与加速度计数据进行优化。通过整定PID参数实现机器人与标准比赛足球组成系统的自平衡。通过无干扰自平衡实验和扰动下自平衡实验表明该设计的有效性。     

球形机器人双闭环PID控制设计与仿真

针对球形机器人运动模型复杂,平衡控制实现困难等问题,设计了以自平衡双轮小车为运动核心的球形机器人,分析了系统运动特征。根据自平衡小车执行机构特点设计了一种改进型双闭环PID控制算法,解决了球形机器人的平衡及运动速度控制问题,并在MATLAB中对算法进行了仿真分析,得出偏转角以及转速关系曲线。系统实验与仿真结果表明,改进型PID控制算法对球形机器人的运动控制效果良好,可以实现控制要求。     

无线两轮机器人小车控制系统的设计

介绍了一个两轮驱动机器人控制系统的软硬件实现方法，计算机通过串行无线通讯控制以AT89C52为微处理器的机器人，可以实现机器人按计算机发出的速度大小准确运动。     

单片机控制PID调节的自平衡自行车

针对自行车欠驱动系统的自平衡问题,研制出一种以欠驱动惯性轮系统为物理模型的自平衡自行车,采用拉格朗日法建立了数学模型,进行了动力学分析,得到了有效的核心算法。使用STM32F103c8t6单片机作为核心控制器,通过PID参数的适配控制研究,借助于飞轮在改变加速度过程时产生的反作用惯性力矩,使自行车欠驱动系统渐近收敛于直立的静止平衡状态,车体倾角呈周期性变化,实现了自行车的静止直立自动平衡,并具备一定的抗干扰能力。