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基于直接转矩控制的两轮自平衡车系统设计

压电与声光 2014年第6期36卷 967-971页

作者：傅忠云陈秋阳刘文波南京航空航天大学金城学院江苏南京211156 南京航空航天大学自动化学院江苏南京210016

两轮载人自平衡车控制系统是一种典型的类倒立摆动态平衡控制系统,为降低成本,提高系统操控性能,该文利用新型ARM微处理器STM32F373为控制核心,结合惯性传感器MPU6050,进行了平衡车控制方案设计。该文提出了电机的直接转矩控制法,并利... 详细信息

两轮载人自平衡车控制系统是一种典型的类倒立摆动态平衡控制系统,为降低成本,提高系统操控性能,该文利用新型ARM微处理器STM32F373为控制核心,结合惯性传感器MPU6050,进行了平衡车控制方案设计。该文提出了电机的直接转矩控制法,并利用改进后的显性互补滤波算法得到车体倾斜角度的实时最优值,形成了以角度环、角速度环及电流环所构成的三闭环串级比例-积分-微分(PID)控制方式,实现了车辆的自平衡行驶。与传统使用电压开环控制及速度反馈控制的平衡车相比,该文设计的平衡车具有性价比高、响应速度快、控制平稳等优点。

关键词：自平衡车 STM32 直接转矩控制串级PID控制显性互补滤波算法(ECF)

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基于四元数的两轮自平衡车控制系统研究

电子测量技术 2023年第21期46卷 49-54页

作者：孔德肖王甲一李俊萩张晴晖强振平西南林业大学大数据与智能工程学院昆明650224

为了提高两轮自平衡控制系统的实时性和稳定性,提出了一种将四元数与PID相结合的两轮自平衡车控制机制。该机制基于四元数实现姿态角度的解算,基于PID算法实现平衡车的运动控制。该系统使用MPU-6050对平衡车的角速度和角加速度进行测量... 详细信息

为了提高两轮自平衡控制系统的实时性和稳定性,提出了一种将四元数与PID相结合的两轮自平衡车控制机制。该机制基于四元数实现姿态角度的解算,基于PID算法实现平衡车的运动控制。该系统使用MPU-6050对平衡车的角速度和角加速度进行测量,使用编码器对电机转动速度进行测量,将这些测量数据作为平衡车控制系统的反馈,完成平衡车的控制,并可通过手机APP进行人机交互。在本文设计的控制算法下,平衡车在自平衡、载高度自平衡和载重自平衡三种场景下均可以保持良好的平衡性。采集了三种场景下平衡车俯仰角数据20000组,方差分别为0.013、0.084、0.065。在静置状态下与卡尔曼滤波算法和互补滤波算法进行了对比,在5000组的自平衡数据中平衡车的俯仰角方差为0.000239,相较于其他两种算法更小。上述实验结果表明了本研究提出的控制机制能够在满足平衡车控制实时性的同时实现平衡车的稳定控制。

关键词：自平衡车四元数算法直立环速度环

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控制力矩陀螺自平衡车粒子群优化LQR控制

兵器装备工程学报 2019年第12期40卷 100-104页

作者：单钧麟汪立新秦伟伟李想火箭军工程大学导弹工程学院西安710025 火箭军工程大学核工程学院西安710025

运用拉格朗日法建立控制力矩陀螺自平衡车静止情况下的系统动力学模型,线性化后得到其状态空间表达式,在此基础上设计LQR控制器,并采用粒子群优化算法确定Q、R权重系数矩阵,通过在搭建的自平衡车平台上进行验证实验,结果表明粒子群优化... 详细信息

运用拉格朗日法建立控制力矩陀螺自平衡车静止情况下的系统动力学模型,线性化后得到其状态空间表达式,在此基础上设计LQR控制器,并采用粒子群优化算法确定Q、R权重系数矩阵,通过在搭建的自平衡车平台上进行验证实验,结果表明粒子群优化LQR控制器能够有效实现CMG自平衡车侧倾稳定控制,同时调整CMG进动角回到零位,保证系统具有一定的抗干扰能力。

关键词：控制力矩陀螺自平衡车 LQR 粒子群优化

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两轮载人自平衡车姿态测量单元设计

科学技术与工程 2015年第15期35卷 66-71页

作者：傅忠云朱海霞孙金秋刘文波南京航空航天大学金城学院南京210016 南京航空航天大学自动化学院南京210016

为提高自平衡车姿态角测量精度,利用惯性传感器MPU6050及STM32微处理器,采用参数可调的自适应显性互补滤波算法,结合陀螺仪和加速度计数据分别进行高频和低频姿态估计,设计了自平衡车姿态角测量单元。系统在线测试结果表明,该检测单元... 详细信息

为提高自平衡车姿态角测量精度,利用惯性传感器MPU6050及STM32微处理器,采用参数可调的自适应显性互补滤波算法,结合陀螺仪和加速度计数据分别进行高频和低频姿态估计,设计了自平衡车姿态角测量单元。系统在线测试结果表明,该检测单元设计简单,算法易于实现,姿态角的估计精度高,为自平衡控制的实现提供了保证。

关键词：自平衡车姿态测量惯性测量单元自适应显性互补滤波

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基于体感交互的自平衡车研究与设计

基于体感交互的自平衡车研究与设计

作者：程永胜燕山大学

学位级别：硕士

随着低碳全球化进程,发展城市低碳交通的重点应放在新型交通工具的研发与设计上,自平衡车的出现适应了城市交通结构的需求。现阶段自平衡车属于新兴行业,处于成长期,市场潜力大。因此许多智能硬件厂商都投入资源进行自平衡车的设计创新... 详细信息

随着低碳全球化进程,发展城市低碳交通的重点应放在新型交通工具的研发与设计上,自平衡车的出现适应了城市交通结构的需求。现阶段自平衡车属于新兴行业,处于成长期,市场潜力大。因此许多智能硬件厂商都投入资源进行自平衡车的设计创新研究,但是仍存在用户体验差、造型功能单一、操控安全性等方面的问题。但如何有效解决产品运动状态与用户的关系,以及用户在操作过程中对产品持续性和变化性等需求扩增仍是当前面临的主要问题。因此需要引入全新的设计理论方法以及智能化交互技术来解决人机动态操控性以及配合性之间的矛盾。体感交互是继鼠标、多点触控之后人机交互模式变革的又一个新起点。通过对人体各感官特性的分析,了解人体本能、肢体动作、躯体经验与周边装置或环境的互动方式,并分析在体感交互环境下如何为用户带来良好的体验感受。同时对自平衡车用户人群、市场、品牌进行调研分析,挖掘用户潜在的设计需求。在此基础上分析产品的功能和原理,分析用户操作行为,按照人机交互标准,总结人机交互流程中的缺陷与不足。通过上述研究,得出影响自平衡车体感交互因素,结合体感交互设计理论与自平衡车调研分析。寻找设计切入点,归纳得出自平衡车创新设计目标与设计思路,从外观特征、操控方式、交互体验等要素综合考虑进行创新设计。在自平衡车方案实践中,综合运用产品设计相关理论及方法进行产品造型设计。从自平衡车造型、色彩、材质、操控性、安全性、灵活性、等要素综合考虑。通过设计评价获取最佳设计方案,确立新一代自平衡车创新设计。最终进行产品模型、设计说明书、设计展板等相关的产品说明文档的制作。

关键词：体感交互自平衡车用户体验创新设计

两轮自平衡车的变结构控制与参数整定方法研究

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两轮自平衡车的变结构控制与参数整定方法研究

作者：高银平合肥工业大学

学位级别：硕士

两轮自平衡车是典型的非线性、欠驱动系统,对自平衡车的有效控制一直是个难题。研究自平衡车的控制很有理论和现实意义,研究成果也可以应用于其他欠驱动系统的控制。论文以自平衡车为研究对象,深入研究了滑模变结构控制方法并进行创新,... 详细信息

两轮自平衡车是典型的非线性、欠驱动系统,对自平衡车的有效控制一直是个难题。研究自平衡车的控制很有理论和现实意义,研究成果也可以应用于其他欠驱动系统的控制。论文以自平衡车为研究对象,深入研究了滑模变结构控制方法并进行创新,探索新的控制策略,设计了新型滑模变结构控制器。论文的研究重点是对自平衡车的平衡控制。论文结合滑模变结构方法设计自平衡车的控制器,并从边界层和高阶滑模变结构两个方面进行创新,分别设计了分层滑模变结构控制器和自适应高阶滑模变结构控制器,并做了充分的仿真实验进行验证。设计分层滑模变结构和高阶滑模变结构控制器的初衷都是为了降低系统抖振,同时兼顾提高控制器的暂态特性,论文也确实取得了相应效果。为了克服选取控制器参数的主观性和随意性,论文结合智能粒子群算法设计了控制器参数整定方法。利用人工智能方法选取控制器的参数,避免了繁琐的参数调试过程,并且可以保证达到最好的控制效果。论文的主要工作和创新点如下：(1)论文采用拉格朗日方程法建立自平衡车数学模型,避免了复杂的力学分析过程,同时采用广义坐标,可降低系统方程求解难度。(2)论文为解决两轮自平衡车的耦合控制问题,引入了分层滑模控制方法,设计总的控制律同时保证位移和角度两个子滑模面渐进稳定,并进行了理论证明和仿真验证。利用幂次函数的非线性,抑制了分层滑模变结构的抖振现象。(3)为更好地解决抖振问题,论文从滑模变结构方法产生固有抖振的原因进行分析,探索了新的控制策略。二阶自适应滑模变结构控制将非连续量西作为控制量作用于系统上,而控制器输入u却是连续的,理论上可保证消除抖振。(4)论文为解决控制器参数选取难的问题,利用人工智能方法对控制器参数进行整定。为解决控制器参数整定中的多变量、多峰问题,文中设计了一种新型的嵌套型智能粒子群算法,用更科学和可靠的方法辅助设计控制器,以保证控制器获得更好的性能。

关键词：自平衡车分层滑模高阶滑模参数整定智能粒子群

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基于增强拓扑神经网络的自平衡车研究

基于增强拓扑神经网络的自平衡车研究

作者：宾朋西南科技大学

学位级别：硕士

自平衡车是一种新型的城市交通工具,具有结构简单、体型小巧、操作灵活、绿色环保等特点。在城市交通日益拥堵的今天,平衡车的诞生能够有效缓解城市交通压力。平衡车在结构上与倒立摆类似,其控制系统具有非线性、强耦合、时变等特点。... 详细信息

自平衡车是一种新型的城市交通工具,具有结构简单、体型小巧、操作灵活、绿色环保等特点。在城市交通日益拥堵的今天,平衡车的诞生能够有效缓解城市交通压力。平衡车在结构上与倒立摆类似,其控制系统具有非线性、强耦合、时变等特点。由于平衡车必须具备高度的安全行驶性能,对传统的控制方法提出了挑战。本文详细分析了现有平衡车的工作原理。针对现有平衡车控制现存的两个问题提出了解决方案。问题一,传统控制方法在动力学建模和建立控制状态方程的过程中需要简化模型参数以及线性化处理,这样处理容易导致建模精度差、模型最终可控角度范围小、控制效果差等问题。针对此问题,提出了使用神经网络作为平衡车的控制器,对平衡车进行非线性控制的方法。问题二,传统的控制方法采用固定的控制参数,平衡车无法解决结构参数出现改变的情况以及无法消除周期误差,例如驾驶者的身高体重出现较大差异,控制系统常常出现持续震荡,甚至控制失效的情况。针对此问题,本文提出了基于增强拓扑神经网络(NEAT)的自平衡车控制算法,利用NEAT方法可以从与环境的交互过程中自动进化神经网络。对于环境或者自身结构参数的改动做出适当的改变。不断的进化过程能够有利于平衡车自主学习与探索。根据算法进化的需要,本文设定了平衡车的几何参数、物理特性、使用牛顿与拉格朗日方法分别建立了平衡车的动力学方程。利用动力学方程在MATLAB平台上编写了神经网络进化的虚拟环境。NEAT算法生成的神经网络个体在与虚拟环境的不断交互过程中得到进化。由于得到的神经网络结构的节点排列与连接顺序整理较为复杂。因此本文设计一种算法,这种算法可以自动排列出神经网络结构,便于神经网络结构的可视化以及计算网络结构的输出。最后,通过虚拟样机的三个对比实验,验证了论文所提出的NEAT算法用于进化神经网络控制平衡车的可行性以及能够有效与环境进行交互学习的能力。

关键词：自平衡车 ADAMS/MATLAB联合仿真增强拓扑神经网络自动学习

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基于视觉自主导航的自平衡车设计与实现

基于视觉自主导航的自平衡车设计与实现

作者：孙传开华南理工大学

学位级别：硕士

自平衡车是当前机器人研究领域的一个热点,它由两个在同一轴线上的轮子组成,是类似倒立摆的一种非线性、自然不稳定的系统。现有的自平衡车大多采用加速度计和陀螺仪获得车体的姿态信息,再根据姿态信息控制电机前、后转动,从而保持小车... 详细信息

自平衡车是当前机器人研究领域的一个热点,它由两个在同一轴线上的轮子组成,是类似倒立摆的一种非线性、自然不稳定的系统。现有的自平衡车大多采用加速度计和陀螺仪获得车体的姿态信息,再根据姿态信息控制电机前、后转动,从而保持小车的平衡状态。为了进一步提高自平衡车的智能水平,结合机器视觉的研究成果,开发具有视觉自主导航功能的自平衡车具有重要的现实意义。本设计完成了具有视觉自主导航功能的自平衡车的两个关键技术难点:平衡车的精准直立控制和视觉自主导航。在平衡车直立控制的实现中,本文采用卡尔曼滤波器和PID控制算法,减小加速度计的高频干扰和陀螺仪的低频误差,提高电机对误差的响应速度和控制精度,保证良好的直立控制效果。在视觉自主导航功能的实现中,本文采用了图像去噪、图像二值化、图像提取等方法,对视频采集信号进行处理,获得准确的道路信息,保证了基于视觉的自主导航。为了进一步实现自平衡车的功能,本设计采用单片机MC9S12XS128作为控制器,结合陀螺仪ENC-03、三轴加速度计MMA7260、摄像头OV7620,设计了一个体积小、运行稳定、可在特定道路上自主导航的两轮自平衡车,并完成了软件编写与调试。实验测试结果表明本文所提出的自主导航平衡车设计方案是可行的,具有一定的推广应用价值。

关键词：自平衡车自主导航卡尔曼滤波器控制算法

基于单目视觉的自平衡车编队行进控制设计与实现

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基于单目视觉的自平衡车编队行进控制设计与实现

作者：谢彦昆重庆大学

学位级别：硕士

自平衡车作为轮式机器人的典型研究对象,一直以来,都受到控制工程领域研究人员的关注,它的不稳定性是检验控制器性能的标准也是设计控制器的难点。自平衡车相比稳定的小车具有较强的灵活性、占用空间小、功耗更低等特点。同时,由于人们... 详细信息

自平衡车作为轮式机器人的典型研究对象,一直以来,都受到控制工程领域研究人员的关注,它的不稳定性是检验控制器性能的标准也是设计控制器的难点。自平衡车相比稳定的小车具有较强的灵活性、占用空间小、功耗更低等特点。同时,由于人们生活及生产的复杂度在提高,越来越多的任务变得更复杂更艰巨,需要多机器人协作完成同一个复杂的任务。而研究多机器人编队行进是研究其相互协作相互配合完成任务的基础。与稳定小车编队系统相比,自平衡车编队系统因为其自身的不稳定性增加了编队系统的复杂性,因此目前鲜有关于自平衡车编队行进的研究。但是自平衡车编队系统既具有单个自平衡车的优点又具有更强的鲁棒性、柔性等特点。因此,本文从多机器人编队行进控制研究为引入点,以两辆自平衡车构成的多机器人编队系统作为研究对象,采用基于单目视觉的方法来实现自平衡车编队行进。本文在对自平衡车在国内外的发展现状及现有的多个稳定智能车的编队行进控制方式总结与归纳基础上,完成了单一自平衡车和自平衡车编队系统的建模工作。单一小车运动建模,采用基于Lagrange方程的方法,对单个两轮自平衡车进行运动分析并建立其数学模型。对该数学模型作线性化和解耦处理,克服两轮自平衡车数学模型的非线性、强耦合性和变参量多给研究带来的困难。且经过仿真验证处理后的数学模型符合两轮自平衡车的实际运行状态,该数学模型的建立为之后设计自平衡车的控制器提供理论依据。另一部分,通过对两辆小车的相对距离和相对角度的分析建立起微分方程,完成了对两辆自平衡车构成的编队系统的数学建模工作。同时,由于自平衡车处于动态平衡运动过程,对于摄像头获取信息产生波动性影响,因此建立其波动性模型并对该模型进行分析,为标识物设计和摄像头的安装提供一定的依据。在小车编队系统运动跟踪信息获取与处理方面,本文采用单目视觉的方法实现两辆自平衡车保持一定距离和相对角度编队行进。需要采集图像并处理,处理的方法过程中包含灰度图的转化、滤波、分割、图像阈值化等,对处理后的图像中标识物进行信息提取。利用摄像头小孔成像的原理实现单目视觉快速测距,并计算获得两车的距离和相对角度等跟踪小车需要的信息。在小车编队系统控制方面,本文针对自平衡车模型和编队模型的耦合性进行了分析和实验,实验证明两者的耦合性较弱,可视为两个互相独立的子系统。针对自平衡车自身的平衡控制本文分别采用PID控制和状态反馈控制的方式对它们进行仿真实验,结果表明两种控制方法均能达到很好的平衡控制效果。针对编队系统模型具有非线性,经分析本文采用输入输出反馈线性化的方法设计其控制器,在Simulink仿真实验结果表明该控制器能够实现自平衡车编队行进控制,证明了本文所采用的方案实现自平衡车编队行进具有可行性。同时,建立自平衡车编队系统的硬件平台,介绍总体的实验设计方案及系统的硬件环境的搭建和软件程序的编写与调试,实现了基于单目视觉的自平衡车直线型及三角型编队队形行进。

关键词：单目视觉自平衡车强耦合编队行进输入输出反馈线性