1、精選優質文檔-傾情為你奉上 高等教育自學考試本科畢業論文開題報告論文題目： 基于單片機的兩輪自平衡小車的系統設計 考生姓名： 準考證號： 專業層次： 本 科 院 （系）： 機械與動力程學院 指導教師： 職 稱： 重慶科技學院二O一四年 一月 六 日 本課題的目的及意義，國內外研究現狀分析 目的：兩輪自平衡小車兩輪共軸、獨立驅動、車身重中心位于車輪軸上方，通過運動保持平衡，可以直立運動，因為特別的結構，它對于地形的變化有很強的適應能力，有著良好的運動性能，能夠在比較復雜的環境里面的工作，和傳統的輪式移動機器人相比較，兩輪自平衡小車有著以下的幾個優點：（1）能夠實現在原地回轉和任意半徑的轉向，有更

2、加靈活易變的移動軌跡很好地彌補了傳統多輪布局的缺點；（2）具有占地面積小的優點，能夠在場地面積很小或者要求靈活運輸的場合上使用；（3）車的結構上有很大的簡化，可以把車做的更輕更小；（4）有著較小的驅動功率，能夠讓電池長時間供電，為環保型輕車提供了一種新的概念。意義：兩輪自平衡小車是一個集動態決策和規劃、環境感知、行為控制和執行等多種功能于一體的綜合復雜系統，其關鍵是在解決自平衡的同時，還能夠適應在各種環境下的控制任務。通過運用外加速度傳感器、超聲波傳感器、傾角傳感器、防碰撞開關等，可以實現小車的跟蹤、路徑規劃和自主避障等多種復雜的功能。還可以吧GPS和慣性導航設備配備到小車上實現組合導航。所以

3、，兩輪自平衡小車是一個實現起來相對簡單的復雜系統，受到世界各個國家的重視，具有較高的學術研究意義。正因為有了這些優點，兩輪自平衡小車經過一定的改造就可以制造成戰場機器人或者“保姆”機器人，具有廣闊的應用前景。 目前國內外的研究和發展狀況：兩輪自平衡小車自問世以來，迅速成為研究各種控制理論的理想平臺，具有重大的理論意義，這要歸功于她不穩定的動態性能和系統所具有的非線性。近年來，兩輪自平衡小車的研究開始在美國、日本、瑞士等國得到迅速的發展。建立了多個實驗原機型，提出來眾多解決平衡控制的方案，并對原機型的自動平衡性能與運動特性進行了驗證。通過對兩輪自平衡系統的改造，可快速方便的應用到眾多環境中去，如

4、承載、運輸 ，代步等。這其中蘊藏著巨大的商機，相應有些國外公司現在已經推出了商業化產品，并且已經投放到了市場。 國外方面：在兩輪自平衡小車的研究上，國外的專家和愛好者們取得了一系列的成果，以下介紹國外兩個兩輪自平衡小車：由美國科學家David.P.Anderson研發的兩輪自平衡機器人Nbot基于倒立擺的小型自平衡兩輪車模型，是由HCllrobotcontroller進行控制的。其外觀如圖1.1所示；由瑞士聯邦技術學院工業電子實驗室的研究人員研制的名為JOE機器人，是由DSP芯片進行控制的，它由車架上方所附的重物模擬實際車中的駕駛者。 圖1.1Nbot 圖1.2JOE機器人 國內方面：我國在兩

5、輪自平衡機器人方面的研究也取得了一定的成就，西安電子科技大學研究出了自平衡兩輪機器人，它是一種兩輪式左右并行布置結構的自平衡系統。它利用伺服放大器ADS作為控制器，選擇兩個Maxson電機作為執行元件，采用自適應神經模糊控制器對小車這一非線性對象進行大范圍控制，從而實現系統的自平衡；哈爾濱工業大學也有類似的雙輪直立自平衡機器人，該系統采用DSP作為控制核心。車體傾斜角度檢測采用加速度傳感器和陀螺儀。利用PWM技術動態控制兩臺直流電機的轉速。基于這些完備而可靠的硬件設計，使用了一套獨特的軟件算法，實現了該系統的平衡控制。本課題的任務、重點內容、實現途徑任務：按照設計的一般步驟，對基本功能部分控制

6、要求，設計要求，以及使用說明。每一步都按照設計的一般規則，進行準確計算。完成基于單片機的自平衡小車的系統設計。重點內容：（1）小車的硬件設計；（2）控制系統的設計；（3）信號調理及控制電路設計；（4）PID控制算法；實現途徑：(1) ）對兩輪自平衡小車進行硬件設計，根據目標任務實際相應的控制機構和執行機構。(2) 用拉克朗日平衡法建立系統的數學模型，并給出系統在各種狀態下的數學模型。(3) 從系統的線性模型出發，分析系統的控制性能和穩定性。(4) 運用變結構控制理論的基礎知識，基于變結構控制的最終滑動模態理論設計系統的自平衡控制器。(5) 利用計算機仿真，比較滑模控制器與反饋控制器對于干擾和參

7、數的不確定性的消除能力，證明設計控制器的有效性和合理性。預計可能遇到的困難，提出解決問題的方法和措施（1）算法的計算過程可能會比較復雜，在提高系統動態品質的時會遇到設計控制系統中相互矛盾性能指標取舍的綜合問題。（2）仿真結果可能會和預想中的不一樣，結果不一致。（3）系統進行仿真研究時，在系統存在外繞和參數攝動情況下，系統性能指標是否滿足設計要求，環境的改變會造成系統在理想狀況下得到的參數誤差很大，將使基于理想模型設計的常規控制器失效。解決措施：隨著課題研究的深入，還會遇到更多更大的困難，在將來的學習中，帶著這些問題和困難查閱各種資料，并向有經驗的老師和同學求教，爭取早日解決，以更好的完成對本課

8、題的設計工作。完成本課題所需的工作條件（如工具書、計算機、實驗、調研等）及解決辦法 （1）完成本課題所需要的工作條件（2）熟悉單片機的編程及操作解決方法：在實際操作中通過參考、查閱各種有關單片機相關的資料，請教實驗室中有經驗的老師詢問單片機的相關解決問題，使對單片機的編程和操作更加了解。主要參考文獻（由指導教師指定）： 1 徐國華，譚民.移動機器人的發展現狀及其趨勢J。機器人技術與應用，2001，14(3) 2 劉金琨.智能控制.北京：電子工業出版社，2005 3 劉斌.兩輪自平衡小車軟硬件研發與基于模糊線性化模型的變結構控制研究.西安電子科技大學工學碩士學位論文.2009 4梅曉榕.自動控制

9、元件及線路.哈爾濱工業大學出版社.2004 5 張琛.直流無刷電機原理及應用.機械工業出版社.2009 6 爾桂花,竇曰軒.運動控制系統.清華大學出版社.2002 7 阮毅,陳伯時.電力拖動自動控制系統:運動控制系統(第四版).機械工業出版社.2009 8 陳永軍,黃聲華,翁惠輝,李俊杰.基于dsPIC的直流無刷電機調速系統方案J.電機與控制應用，2006 9 孔祥宜.自主式雙輪動態平衡移動機器人的控制系統研究.上海交通大學碩士學位論文.2007 10 張吉昌.單軸雙輪自平衡代步車的研究與設計.中國海洋大學碩士論文.2009 同組設計者及分工：本次畢業設計是個人獨立完成。論文工作的進度計劃（或工作方案分析）（由指導教師確定）起止時間進度安排備注2013.12.20-12.27查找資料、選題2014.1.6-2014.1.16完成開題報告及論文目錄2014.1.21-2014.3.20完成論文初稿2014.3.21-20