基于雙飛輪的兩輪自平衡機(jī)器人研究.pdf

1、密級(jí)桂林電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文碩士學(xué)位論文（全日制專(zhuān)業(yè)學(xué)位碩士）（全日制專(zhuān)業(yè)學(xué)位碩士）題目題目：基于雙飛輪的兩輪自平衡機(jī)器人研究英文：英文：AResearchonTwowheeledSelfbalancingRobotBasedonDoubleFlywheels研究生學(xué)號(hào)研究生學(xué)號(hào):1308304024研究生姓名研究生姓名:李勇指導(dǎo)教師姓名、職務(wù)指導(dǎo)教師姓名、職務(wù):耿建平（副教授）申請(qǐng)學(xué)位門(mén)類(lèi)申請(qǐng)學(xué)位門(mén)類(lèi):工學(xué)碩士學(xué)科、專(zhuān)業(yè)名稱學(xué)科、

2、專(zhuān)業(yè)名稱:儀器儀表工程提交論文日期提交論文日期:2016年4月論文答辯日期論文答辯日期:2016年6月摘要I摘要與常規(guī)的兩輪（兩輪左、右排布）自平衡車(chē)相比，本文研究的是基于飛輪陀螺效應(yīng)的兩輪（兩輪前、后排布）自平衡機(jī)器人，由于陀螺效應(yīng)的無(wú)慣性和定軸性，自平衡系統(tǒng)除了具有良好的平衡性能以外還具有抵抗外界強(qiáng)烈撞擊的特點(diǎn)，并且兩輪自平衡機(jī)器人寬度狹窄，爬坡和越障能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因此在無(wú)人摩托（車(chē)）機(jī)器人以及軍事偵查等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。本文

3、介紹了基于陀螺效應(yīng)的自平衡機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及原理，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括兩個(gè)陀螺組件、偏轉(zhuǎn)電機(jī)和機(jī)體外框架等。陀螺組件主要由高速無(wú)刷直流電機(jī)、飛輪以及支撐飛輪的框架等結(jié)構(gòu)組成。高速無(wú)刷直流電機(jī)控制飛輪持續(xù)高速旋轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)電機(jī)控制飛輪以一定的角速度偏轉(zhuǎn)，由此產(chǎn)生維持自平衡機(jī)器人的平衡狀態(tài)所需的陀螺力矩。本文采用牛頓力學(xué)分析方法，參考倒立擺模型和電機(jī)的數(shù)學(xué)模型對(duì)自平衡機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型在平衡點(diǎn)附近解耦，通過(guò)MATLAB的數(shù)值求解功能和PD控制算法相

4、結(jié)合實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證了自平衡系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型的合理性。結(jié)合仿真結(jié)果對(duì)PD控制算法進(jìn)行了優(yōu)化，為后期設(shè)計(jì)更復(fù)雜的控制器奠定了基礎(chǔ)。本文設(shè)計(jì)的自平衡機(jī)器人采用慣性傳感器MPU6050測(cè)量機(jī)體外框架的傾斜角度和傾斜角速度，采用卡爾曼濾波排除慣性傳感器溫漂產(chǎn)生的誤差；采用電位器測(cè)量相對(duì)偏轉(zhuǎn)角位移，并使用中位值平均濾波法排除電壓紋波對(duì)電位器測(cè)量造成的誤差；使用2.4G遙控器控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；使用霍爾傳感器測(cè)量機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，并結(jié)合機(jī)器人轉(zhuǎn)向角

5、度和機(jī)身長(zhǎng)度評(píng)估機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)所需的向心力，反饋給控制器以保證急速轉(zhuǎn)向時(shí)的平衡；上位機(jī)通過(guò)無(wú)線方式采集機(jī)器人發(fā)送的姿態(tài)數(shù)據(jù)，利用MATLAB繪制機(jī)器人的實(shí)時(shí)姿態(tài)圖像。最后觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和總結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了自啟動(dòng)算法，實(shí)現(xiàn)了自平衡機(jī)器人從失去平衡狀態(tài)到恢復(fù)平衡狀態(tài)的自動(dòng)調(diào)整。設(shè)計(jì)了自適應(yīng)FuzzyPD控制器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制器魯棒性強(qiáng)，系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定并具有抵抗一定的外界沖擊的特點(diǎn)。關(guān)鍵字：雙飛輪；陀螺效應(yīng)；自平衡機(jī)器人；自適應(yīng)Fuzzy