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坐式两轮自平衡车的系统研究

吴广鑫  
【摘要】:两轮自平衡电动车具有运动灵活、智能控制、操作简单、节省能源、绿色环保、转弯半径为0等优点。适用于在狭小空间内运行,能够在大型购物中心、国际性会议或展览场所、体育场馆、办公大楼、大型公园及广场、生态旅游风景区、城市中的生活住宅小区等各种室内或室外场合中作为人们的中、短距离代步工具。由于两轮自平衡车在理论上属于非完整约束系统,载体也不相同,因此从控制理论角度来看属于变载荷的非线性系统,具有很高的理论研究价值和应用价值,成为近期的研究热点。 论文首先详细介绍了两轮自平衡车系统组成,设计了两轮自平衡车的机械系统,分析了设计的要点,着重介绍了控制系统的硬件电路设计,对每个组成部分进行逐一介绍。 然后对两轮自平衡车的关键部分—电机驱动系统进行设计。通过原理分析,确定了系统的设计方案,选择合理控制器电路,以CPLD和STM32为核心设计电机的测速与换相系统。通过仿真分析,验证系统的合理性和可靠性。同时给出了供电电路的设计和AD采样电路接口设计并验证了其合理性。考虑到本设计当中的串口用的比较多,还给出了独立的串口模块的设计并验证了其合理性。考虑到倒车时需要保持车距以确保人身安全,所以增加了超声波测距仪的设计并验证了其合理性。最后考虑到车体转向的需要,还增加了方向盘电路并验证了其合理性。 两轮自平衡车通过车体的倾斜角度的大小控制车体的状态,论文的第三部分设计车体倾角测量系统。针对MEMS陀螺仪和加速度计精度低漂移大的缺点,采用卡尔曼滤波器对采集的MEMS惯性传感器信号进行滤波和信息融合,实现了倾角的准确测量。 最后对两轮自平衡车的控制算法进行研究。根据模型简化,以一级倒立摆模型为参照,通过改进的数字PID控制器实现了两轮自平衡车的平衡,水平加速度和车体位置的控制,并通过仿真验证和实际运行试验,验证算法的有效性和可行性。


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