开题报告--基于PID控制算法的自平衡机器人

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1、 毕业设计开题报告 学学 生生 姓姓 名：名： 学学 号：号： 学学 院 ：院 ： 仪器与电子学院 专专 业 ：业 ： 微电子科学与工程 设计设计(论文论文)题题 目目： 基于 PID 控制算法的自平衡机器人 指 导 教 师指 导 教 师 : 201 年 月 13 日 毕毕 业业 设设 计计 开开 题题 报报 告告 1选题依据： 1.11.1 课题研究背景及意义课题研究背景及意义 近年来，随着移动机器人研究不断深入、其应用领域更加广泛，面临的环境和任务 也越来越复杂。有时机器人会遇到比较狭窄，而且有许多大转角的工作场合，如何在这 样的环境里灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。两轮自

2、平衡机器人概 念就是在这样的背景下提出来的，这种机器人两轮共轴、独立驱动，车身重心倒置于车 轮轴上方，通过运动保持平衡，可直立行走。由于特殊的结构，其适应地形变化能力强， 运动灵活，可以胜任一些复杂环境里的工作。传统轮式移动机器人多以具有导向轮的三 轮或四轮小车布局，与之相比，两轮自平衡机器人主要有如下优点： a) 实现原地回转和任意半径转向，移动轨迹更为灵活易变，很好的弥补了传统多 轮布局的缺点； b) 减小了占地面积，在场地面积较小或要求灵活运输的场合十分适用； c) 大大地简化了车体结构，可以把机器人做得更小更轻； d) 驱动功率也较小，为电池长时间供电提供了可能，为环保轻型车提供了一种

3、新 的思路。 两轮自平衡机器人面世以后，迅速吸引了世界各国机器人研究者的兴趣，成为验证 各种控制理论的理想平台，具有重大的理论意义，这要归功于其不稳定的动态性能和系 统所具有的强非线性。因此，两轮自平衡机器人有着相当广泛的应用前景，其典型应用 包括通勤车、空间探索、战场侦察、危险品运输、排雷灭火、智能轮椅、玩具等场合。 例如，两轮小车作为小范围、短距离交通工具将更加方便、灵活、环保；智能轮椅可为 残疾人提供便捷服务1。 基于倒立摆模型的两轮自平衡机器人属于轮式机器人的范畴2,并结合了自主移 动的思想,其体积小、结构简单、运动灵活,适于在狭小和危险的空间内工作,在民用 和 军事上有着广泛的应用前

4、景;同时由于其不稳定的动态特性,两轮自平衡机器人成为验 证各种控制算法的理想平台,具有重要的理论意义。两轮自平衡机器人属于 非线性、时 变、欠驱动、非完整约束系统,控制问题是其研究的关键3。 本设计旨在研究机器人倾角测量方法及两轮自平衡机器人控制算法设计相关问题, 最终完成自主平衡及自主移动。采用牛顿动力学方法,对两轮自平衡机器人进行了运动 学和动力学分析4,建立了系统的数学模型,为控制器设计提供理论依据。 根据两轮自平 衡机器人所用传感器的特点,提出了一种基于陀螺仪和加速度计数据融合的间接卡尔曼 滤波 算法,得到最优的倾角及角速度估计。使用 PID 控制算法对机器人的直立、速度、 方向进行控

5、制和优化，最终完成自主移动。 1.21.2 国内外发展国内外发展现状现状 两轮自平衡机器人的构想起源于 1986 年，日本 Electro-Communications 大学的 Kazuo Yamafuji 教授，提出了制造一种自动站立机器人的构思。但是当时的控制原理 和控制策略还不够成熟，机器人只能在固定轨道前行，无法实现转弯等运动姿态5。 2002 年，瑞士联邦工业大学的 Felix Grasser 等研制出可遥控的两轮自平衡机器 人 Joe，其最大运动速度可以达到 1.5m/s，超过了人的行走速度。由于两轮平行布置， 每轮各装有一个直流电机驱动， Joe 能稳定地做 U 型回转。采用解耦

6、状态空间控制器 来使系统保持平衡， 设计者认为自适应模糊控制可以使 Joe 的抗干扰能力提高， 控制品 质上升6。 2002 年，美国 Segway 公司的 Dean Kamen 发明了世界上第一部能够自平衡的两 轮电动滑车，时速高达 20km/h，其售价也高达五千美元。 国内对于平衡机器人的研究也起步较早，2004 年，中国科学技术大学成功研制了 两轮自平衡电动代步车 Free Mover。它可以实现零半径回转，无刹车系统，整车质量 约为 30 公斤。正常工作时，操作者经 10 分钟的训练后就可以驾驶其行走。身体前倾 时车子自动加速，后倾时自动减速。通过控制手柄，可原地转弯任意角度。时速可达 10 公里。连续行驶里程约 30 公里。 以上是国内外在两轮自平衡机器人的研究现状。 这些机器人都对本课题的研究提供 了很好的指导作用，使下面的研究工作得到了很好的参考借鉴。现有两轮自平衡机器人 一般都以倒立摆的结构模型为基础，根据机器人质心位置是否可变，分为定质心和变质 心两大类。由国内外研究现状可以看出，目前的研究热点是对定质心两轮自平衡机器人