【正文】 題:一是建立極點(diǎn)可配置的條件；二是確定其反饋增益矩陣。零點(diǎn)和極點(diǎn)在復(fù)數(shù)平面中的分布狀況決定了相應(yīng)表達(dá)式中該函數(shù)前的系數(shù)大小。鑒于此我們考慮采用其極點(diǎn)配置的方法來考察分析其系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于要保持動態(tài)的平衡，則小車的傾角在一定的范圍內(nèi)要求可控。在模擬控制系統(tǒng)中，PID是最常用的控制方法。利用許多成熟的參數(shù)整定方法，可以根據(jù)控制對象的實(shí)際響應(yīng)曲線來計算PID控制器的參數(shù)；(5)允許工程技術(shù)人員以一種簡單直接的方式來調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，以達(dá)到希望得到的控制性能，如上升時間、最大超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差等。PID的引入保證了其系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，穩(wěn)定了閉環(huán)控制器，補(bǔ)償了由逆變器引起的控制誤差[25][26]。兩式聯(lián)合整理得： （419） 在不考慮輸入信號的情況下，即D=0。θ利用牛頓第二定律可以分析得到水平方向的合力為： （49）由上圖可知其垂直于車身的合力為： （410） 繞車身質(zhì)心運(yùn)動的合力為： （411）通過(式410)和(式411)可以推出如下關(guān)系式： （412）將其進(jìn)行整理可得： （413） 通過(式48)和(式49)可以得到如下關(guān)系式： （414）將(式413)和(式414)聯(lián)立得： （415） （416）在這個建模過程中，假定垂直向上的方向上有一很小的角度必，滿足其關(guān)系θ=π + φ，由此可得 Cos θ=sin θ=φ （417） （418）將其上述數(shù)學(xué)模型(組4l)線性化，得到如下關(guān)系式： 其狀態(tài)空間表達(dá)式為： 式中：狀態(tài)變量分別代表小車的車輪位移、車輪的速度、小車的傾角和小車的角速度。同時參考文獻(xiàn)[23][24]，對兩輪自平衡小車的建模方法，其建模可分為車輪模型和車身模型兩部分，最后通過對兩者的分析給出系統(tǒng)的狀態(tài)方程。（4） 因此，兩輪自平衡小車平衡控制的基本思想是：當(dāng)測量傾斜角度的傳感器檢測到車體產(chǎn)生傾斜時，控制系統(tǒng)會根據(jù)測得的傾角產(chǎn)生一個相應(yīng)的力矩，通過控制電機(jī)驅(qū)動兩個車輪朝車身要倒下的方向運(yùn)動，以保持小車自身的動態(tài)平衡。 平衡的實(shí)現(xiàn)在自平衡小車未做控制時，不論其車身向前或向后傾斜，兩輪都處于靜止?fàn)顟B(tài)，這時其車身前后擺動與其車輪轉(zhuǎn)動是相互獨(dú)立的；當(dāng)其開始控制時，其車身的狀態(tài)變化使小車有靜止、前進(jìn)(前傾)、后退(后仰)三種運(yùn)動的方式，在正確的控制策略下，小車能夠保持自身的平衡。4 自平衡小車控制策略研究 引言兩輪自平衡小車類似于兩輪倒立擺，是一種兩輪式左右并行布置結(jié)構(gòu)的自平衡系統(tǒng)，與其他類型的機(jī)器人相比最主要的特征是要解決自平衡的問題，即要在各種狀態(tài)下保持動態(tài)平衡。其算法可分為四類，即估計方法、分類方法、推理方法和人工智能方法[20]。針對三種傳感器的特點(diǎn)需要對其采集的信息進(jìn)行分類處理和融合，從而得到可信的位置、姿態(tài)和方向信息，為對機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時控制提供保障。聯(lián)立式31和式32得可得到其傾斜角度的表達(dá)式： （33）從上表達(dá)式中可以看出：加速度計測量線性加速度，但加速度計的輸出值與傾角并非線性關(guān)系，而是隨著傾角增加呈正弦函數(shù)變化。因而，不能單獨(dú)使用陀螺儀作為系統(tǒng)的傳感器。這種干擾力矩沒有確定的規(guī)律性，無法用簡單的方法進(jìn)行補(bǔ)償。 陀螺儀的漂移問題陀螺儀存在漂移問題引起MEMS陀螺儀輸出產(chǎn)生漂移的原因按照其性質(zhì)具體可分為以下兩類[18]：第一類：有規(guī)律的漂移（1） 與加速度無關(guān)的漂移：主要由電磁力矩、彈性力矩以及工藝等因素引起；（2） 與加速度成正比的漂移：主要由質(zhì)量不平衡等因素引起。MEMS陀螺儀在嚴(yán)峻的工作條件下具有優(yōu)良的性能，近年來，它在很多應(yīng)用中受到密切地關(guān)注?？紤]到測量實(shí)際車體的要求：即既要便于安裝又要提供盡可能精確的信息，因此選用5000線分辨率的中空編碼器。另外，設(shè)計中還要用到直流無刷電機(jī)中自帶的霍爾元件和外加的光電編碼器反饋回的電機(jī)位置和車輪實(shí)時速度的信息。對于小車姿態(tài)檢測而言，通常采用慣性傳感器。 硬件設(shè)計中抗干擾措施在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，各種電磁干擾（EMI)相當(dāng)強(qiáng)烈。在兩輪自平衡小車系統(tǒng)中，當(dāng)小車運(yùn)動時，傳感器將相關(guān)的信息傳送給控制器，由控制器來判定兩輪自平衡小車的運(yùn)動狀態(tài)。電流檢測采用采樣電阻法實(shí)現(xiàn)，利用一個采樣電阻來檢測電動機(jī)各相的繞組電流，實(shí)現(xiàn)電流反饋以及電路保護(hù)。該單片機(jī)結(jié)合數(shù)字信號處理器(DSP)技術(shù)與微控制器的各自優(yōu)點(diǎn)，同時C代碼效率降低了對存儲器的要求，從而緩解了16位單片機(jī)和低端DSP存在的性能差異。它由一個用于良好整流序列的轉(zhuǎn)子位置譯碼器、可提供傳感器電源的帶溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖茧妷?、頻率可編程的鋸齒波振蕩器、三個集電極開路的頂部驅(qū)動器以及三個非常適用于驅(qū)動到功率MOSFET的大電流推挽式底部驅(qū)動器組成。本設(shè)計采用全控橋控制，雖然其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但是相對于半控橋來說優(yōu)點(diǎn)十分明顯：其輸出轉(zhuǎn)矩更大，波動更小，且繞組的利用率更高。（a）系統(tǒng)各電源轉(zhuǎn)換圖（b）系統(tǒng)各電源轉(zhuǎn)換圖編碼器的工作電壓是5V，由于所測的數(shù)據(jù)要送入微控制器進(jìn)行處理，為了實(shí)現(xiàn)電平的單向轉(zhuǎn)換，設(shè)計采用SN74LVC4245A電壓轉(zhuǎn)換芯片。下面具體介紹電機(jī)驅(qū)動電路各個功能部分。開關(guān)電路鋰電池組含霍爾位置傳感器的換向裝置直流無刷電機(jī) (BLDC)鋰電池組通過開關(guān)電路向電動機(jī)定子繞組供電，由于無刷電機(jī)無機(jī)械換向裝置，為使定子繞組依次饋電，利用含有霍爾位置傳感器的換向裝置來實(shí)現(xiàn)其電子換向[10]。無位置傳感器控制方式是指直流無刷電機(jī)不直接安裝轉(zhuǎn)子位置傳感器，但在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，控制電機(jī)換相的轉(zhuǎn)子位置信號還是需要的，因此，直流無刷電機(jī)無位置傳感器控制研究的關(guān)鍵是架構(gòu)轉(zhuǎn)子位置信號檢測電路，通過軟硬件間接獲得可靠的轉(zhuǎn)子位置信號。(a)所示（a）原理圖 UNUdtonTt（b）波形圖 脈寬調(diào)制調(diào)速原理圖開關(guān)S表示脈寬調(diào)制器，調(diào)速系統(tǒng)的外加電源電壓認(rèn)為固定直流電壓，當(dāng)開關(guān)S閉合時，電流經(jīng)過S給電動機(jī)M供電；開關(guān)S打開時，電流被切斷，M經(jīng)二極管稱續(xù)流，電樞兩端電壓接近為零。但只能是有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性軟，空載時幾乎沒什么調(diào)速作用，在調(diào)速電阻上消耗大量的電能。改變電機(jī)磁通可以實(shí)現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通，從電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬速恒功率調(diào)速方法。因此無刷直流電動機(jī)的調(diào)速方法有三種[8][9]：（1） 調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。它采用轉(zhuǎn)子位置傳感器代替電刷，依靠轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測出轉(zhuǎn)子的位置信號，通過換相驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)與電樞繞組連接的各功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，達(dá)到換相的目的，從而使電機(jī)工作[7]。直流無刷電機(jī)具有線性機(jī)械特性、調(diào)速范圍寬、大氣動轉(zhuǎn)矩、效率較高和控制電路簡單等優(yōu)點(diǎn)[6]。但運(yùn)動增量和步距角固定，缺乏靈活性，而且單步響應(yīng)時有過沖量和震蕩，不利于兩輪自平衡機(jī)器人的穩(wěn)定，承受慣性負(fù)載的能力差，控制線路復(fù)雜，不利于兩輪自平衡機(jī)器人小空間的要求。本文對其進(jìn)行了PID技術(shù)控制策略和極點(diǎn)配置技術(shù)的研究。（3） 處理傳感器數(shù)據(jù)。本文的主要研究內(nèi)容包括：（1） 設(shè)計兩輪自平衡小車驅(qū)動電路?；谶@些完備而可靠的硬件設(shè)計，使用了一套獨(dú)特的軟件算法，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的平衡控制。它利用伺服放大器ADS作為控制器，選擇兩個Maxson電機(jī)作為執(zhí)行元件，采用自適應(yīng)神經(jīng)模糊控制器對小車這一非線性對象進(jìn)行大范圍控制，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自平衡。 Best of Show39。2004年，Homebrew機(jī)器人俱樂部的Ted Larson和 Bob ，并在機(jī)器人上安裝了一個攝像頭使它也成為一款自主移動機(jī)器人。研究人員通過陀螺儀和光電編碼器測量的數(shù)據(jù)，用線性狀態(tài)反饋控制器來控制整個系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定。因?yàn)樗扔欣碚撗芯恳饬x又有實(shí)用價值，所以兩輪自平衡小車的研究在最近十年引起了大量機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的廣泛關(guān)注。機(jī)器人經(jīng)常會遇到一些比較狹窄，而且有很多大轉(zhuǎn)角的工作場合，如何在這樣比較復(fù)雜的環(huán)境中靈活快捷的執(zhí)行任務(wù)，成為人們頗為關(guān)心的一個問題。畢業(yè)設(shè)計（論文）專用紙兩輪自平衡小車設(shè)計畢業(yè)論文目 錄1 緒論 5 兩輪自平衡小車的研究意義 5 兩輪自平衡小車的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀 5 國外的研究成果 5 國內(nèi)的研究成果 7 本論文的工作 72 驅(qū)動硬件構(gòu)建 9 引言 9 直流無刷電機(jī) 9 直流無刷電機(jī)選擇理由 9 直流無刷電機(jī)工作原理 10 直流無刷電機(jī)調(diào)速 10 直流無刷電機(jī)控制方法 12 驅(qū)動電路設(shè)計 13 系統(tǒng)電源模塊 14 功率元件部分 16 功率驅(qū)動電路 16 CPU微控制器 17 電流檢測電路 17 傳感器元件 17 硬件設(shè)計中抗干擾措施 183 傳感器數(shù)據(jù)處理 19 引言 19 光電編碼器 19 陀螺儀 20 陀螺儀簡介 20 陀螺儀的漂移問題 20 加速度計 21 傳感器數(shù)據(jù)處理的必要性 22 數(shù)據(jù)處理 224 自平衡小車控制策略研究 23 引言 23 平衡的實(shí)現(xiàn) 23 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 24 車輪模型 25 車身模型 26 PID技術(shù) 30 應(yīng)用現(xiàn)狀 31 PID調(diào)節(jié)規(guī)律 31 極點(diǎn)配置 32 極點(diǎn)配置條件 33 極點(diǎn)配置控制器 365 總結(jié) 38致謝 40參考文獻(xiàn) 41附 錄1 43附 錄2 611 緒論 兩輪自平衡小車的研究意義移動機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)的一個重要分支，對于移動機(jī)器人的研究，包括輪式、腿式、履帶式以及水下式機(jī)器人等，可以追溯到20世紀(jì)60年代。近年來，隨著移動機(jī)器人研究不斷深入、應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，所面臨的環(huán)境和任務(wù)也越來越復(fù)雜。同時由于它具有體積小、運(yùn)動靈活、零轉(zhuǎn)彎半徑等特點(diǎn)，將會在軍用和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。 國外的研究成果在兩輪自平衡小車的研究上，國外的專家和愛好者們?nèi)〉昧艘幌盗械某晒?，以下介紹國外幾個比較先進(jìn)的兩輪自平衡小車：由美國科學(xué)家David P. Anderson[2]研發(fā)的兩輪自平衡機(jī)器人Nbot基于倒立擺的小型自平衡兩輪車模型，是由HCllrobotcontr0ller進(jìn)行控制的。它使用了五個陀螺儀和一個收集其他角度傳感器數(shù)據(jù)的集成器來保持自身的直立狀態(tài)。39。圖 SEGWAY HT Bender 國內(nèi)的研究成果我國在兩輪自平衡機(jī)器人方面的研究也取得了一定的成就：西安電子科技大學(xué)研究出了自平衡兩輪機(jī)器人[5]，它是一種兩輪式左右并行布置結(jié)構(gòu)的自平衡系統(tǒng)。利用PWM技術(shù)動態(tài)控制兩臺直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。上述的機(jī)器人和代步小車對本課題的研究提供了很好的指導(dǎo)作用，為下面的研究工作提供了很好的參考。通過對霍爾信號、驅(qū)動觸發(fā)脈沖、D/A輸出以及電機(jī)空載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從功能上驗(yàn)證了其驅(qū)動板基本能夠滿足系統(tǒng)的要求。（4） 研究自平衡小車的控制策略?？刂茊卧捎梦⒖刂破鱽硗瓿蓪?shù)據(jù)采集與處理、車體姿態(tài)判斷、直流無刷電機(jī)控制及其他外圍的控制等功能。步進(jìn)電機(jī)能直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制性能好，能快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。直流無刷電機(jī)不僅完全具有普通直流有刷電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，而且由于沒有換向器和電刷，可靠性高，壽命長，能夠很好的滿足兩輪自平衡機(jī)器人的要求。為了實(shí)現(xiàn)無電刷換向的目的，直流無刷電動機(jī)一般將其電樞繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，這與傳統(tǒng)直流永磁電動機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反。由無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型知，無刷直流電機(jī)機(jī)械特性方程同一般有刷直流電動機(jī)機(jī)械特性方程在形式上完全一致，所以無刷直流電動機(jī)的調(diào)速方法也和直流有刷電動機(jī)的調(diào)速方法相似。（2） 改變電機(jī)的主磁通。在電動機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡單，操作方便。通過脈寬調(diào)制變換器進(jìn)行調(diào)制的方法又稱PWM(Pulse Frequency Modulation)。 直流無刷電機(jī)控制方法直流無刷電機(jī)的控制方式按照有無轉(zhuǎn)子位置傳感器來劃分，可以分為無位置傳感器控制方式和有位置傳感器控制方式[6]。它是指在直流無刷電機(jī)定子上安裝位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的位置，將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，為電子換相電路提供正確的換相信息，來控制電子換相電路中的功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)，保證電機(jī)的各相按正確的順序?qū)?，在空間形成跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。第四：利用微控制器的RS232接口增加液晶、蜂鳴器等，提供人機(jī)交互以便于在線調(diào)試。（a）、（b）所示。因此在本系統(tǒng)中選擇美國國際整流器公司的功率場效應(yīng)晶體管IRFB4310作為功率開關(guān)器件。該器件采用雙極型模擬工藝，在任何惡劣的工業(yè)環(huán)境條件下都具有高品質(zhì)和穩(wěn)定性。 CPU微控制器本設(shè)計所選擇的控制器是MICROCHIP公司推出的一款高性能16位數(shù)字信號電機(jī)控制器dsPIC33FJ128MC804。 電流檢測電路電流檢測電路設(shè)計的目的是防止電機(jī)起動、過載或異常運(yùn)行時由于電流過大而對控制電路、功率場效應(yīng)管和電動機(jī)本體的損害。傳感器既用于內(nèi)部反饋控制，也用于感知與外部環(huán)境的相互作用。第三章將詳細(xì)介紹該系統(tǒng)所用到的主要傳感器的基本原理以及如何提高它們檢測的可靠性。對于干擾源，要盡量消除，不能消除的，則要通過隔離、濾波等措施，盡量減弱其發(fā)出的干擾信號的強(qiáng)度；對于干擾信號的耦合通道，要切斷或采用濾波、選頻、屏蔽等技術(shù)進(jìn)行抑制；對于對干擾信號敏感的電路或元件，要采用合理接地和退藕、