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两轮自平衡机器人系统设计

周海旭  
【摘要】: 两轮自平衡机器人是一种特殊的轮式移动机器人,它运动灵活,成本低,适合在狭小和危险的空间工作,可以零半径转弯,有着广泛的应用前景。同时,本质不稳定的两轮自平衡机器人也是一种复杂的研究性实验装置,已成为理想的控制理论和控制技术研究的实验平台。 本文在总结和归纳了两轮自平衡机器人的研究现状后,结合了两轮自平衡代步电动车的设计经验提出了两轮自平衡机器人的构建方案。首先设计了两轮自平衡机器人的机械结构,并构建了两轮自平衡机器人的硬件和软件系统。接着提出系统建模的假设条件,建立了系统的运动学模型,推导出两轮自平衡机器人的最大可控角度。随后对硅微加速度计和硅微陀螺进行了标定,在此基础上利用多种滤波算法对硅微加速度计和硅微陀螺信息进行融合,计算出车体的倾斜角度,并对各种算法进行了比较,得出了卡尔曼滤波算法在速度和精度上的优势。然后利用Verlog HDL语言设计了光电码盘的计数器模块,为系统提供速度信息,设计数字的双闭环PID控制算法,并利用它对两轮自平衡机器人进行控制。 最后,对机器人进行了自平衡实验、直线运动实验、碰撞实验,实验结果表明该系统的性能满足设计要求。


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