【正文】 13 / 64 上文已完。 六 、研究工作計(jì)劃安排 （在研究工作期限內(nèi)， 按月 闡明研究工作具體內(nèi)容） 10 七 、預(yù)期成果 （成果提供的形式 ：論文、設(shè)計(jì)、產(chǎn)品研制、軟件開發(fā)、專利、研 究或調(diào)研報(bào)告、課件等 。 五 、主要特色與創(chuàng)新點(diǎn) 針對(duì)兩輪自平衡車的穩(wěn)定和運(yùn)動(dòng)過程中的控制問題，我們?cè)谛盘?hào)處理的過程中引入卡爾曼濾波對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并且采用傳統(tǒng)的 PID 控制，將控制過程分為三個(gè)部分，即站立、直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向。 本設(shè)計(jì)僅僅完成了小車的自平衡控制，功能過于單一。 9 本設(shè)計(jì)中使用的電機(jī)齒輪間隙較大，導(dǎo)致小車在平衡點(diǎn)附近持續(xù)抖動(dòng)。 由于傳感器精度有限，而且選用的陀螺儀傳感器存在過沖現(xiàn)象，導(dǎo)致小車抗干擾能力不足。 在實(shí)際中，車體陀螺儀傳感器的安裝水平程度對(duì)車體運(yùn)行是否穩(wěn)定影響很大，安裝越水平越好，越利于車的提速。這主要原因是車體在直道運(yùn)行時(shí)，稍微偏離中心線對(duì)車體運(yùn)行沒有影響，也就是在知道上方向控制不需要太靈敏，太靈敏不利于車在直道的穩(wěn)定和進(jìn)入彎道的穩(wěn)定。設(shè)置速度控制周期為 200 毫秒后，效果改善明顯。在我們實(shí)際測(cè)試中當(dāng)速度控制周期定為 100 毫秒時(shí)，低速運(yùn)行車體比較穩(wěn)定。車體抖動(dòng)的主要原因來源于卡爾曼濾波后的信號(hào)精度，當(dāng)精度比較低時(shí)， P過大，會(huì)直 接放大信號(hào)的幅度，進(jìn)而表現(xiàn)為車體的抖動(dòng)。 在直立控制過程中， P 越大，車體抗干擾能力越強(qiáng)，但過大會(huì)導(dǎo)致車體振蕩，這時(shí)可以通過加大微分參數(shù)消除振蕩。對(duì)于速度控制采用 PID 控制，積分單元消除誤差。 在控制中，我們采用傳統(tǒng) PID 控制。根據(jù)我們實(shí)際獲得的經(jīng)驗(yàn)，卡爾曼濾波是比較耗時(shí)間的，并且 AD 采樣同樣也是很消耗時(shí)間，如果在中斷執(zhí)行的總時(shí)間超過 1 毫秒，這將會(huì)影響卡爾曼濾波的效果，因此在這個(gè)方面，必須考慮 AD 所開的通道數(shù)目，當(dāng)通道數(shù)目過多，將會(huì)導(dǎo)致一次中斷服務(wù)程序執(zhí)行的時(shí)間超過 1 毫秒。程序設(shè)置 1 毫秒中斷，程序進(jìn)入中斷后，全局變量加 1，判斷全局變量的值，進(jìn)入不同的執(zhí)行部分，執(zhí)行相應(yīng)的操作。由于車體運(yùn)動(dòng)分為這三個(gè)部分，并且這三個(gè)部分必須幾乎同時(shí)控制，所以采用分時(shí)控制每一部分的方法，類似 CPU 時(shí)間分片。 在卡爾曼濾波后和信號(hào)處理好后，小車的重點(diǎn)就在控制上面。 （一）卡爾曼濾波過程 在進(jìn)行卡爾曼 遞歸運(yùn)算過程中，需要知道系統(tǒng)過程噪聲協(xié)方差陣 以及測(cè)量誤差的協(xié) 差矩陣，對(duì)卡爾曼濾波器進(jìn)行校正。陀螺儀本身極易受噪聲干擾，微機(jī)械陀螺不能承受較大的震動(dòng)，同時(shí)由于溫度變化、不穩(wěn)定力矩等因素，陀螺儀會(huì)產(chǎn)生漂移誤差，并會(huì)隨著時(shí)間的推移而累加變大，通過積分會(huì)使得誤差變得很7 大。再加上其測(cè)量范圍的限制，使得單獨(dú)應(yīng)用加速度計(jì)檢測(cè)小車傾角并不合適，需要與其他傳感器共同使用。因此在設(shè)計(jì)卡爾曼濾波器時(shí)，首先要確定被測(cè)加速度的頻率范圍，然后再設(shè)計(jì)濾波器的參數(shù)，盡量使濾波器的帶寬略高于被測(cè)頻率，這樣不僅有助于濾除高頻干擾，而且也有利于降低系統(tǒng)噪聲干擾。因此對(duì)加速度計(jì)的輸出進(jìn)行反正弦函數(shù)處理，才能得到其傾角值。 PID 調(diào)節(jié) 則利用這些姿態(tài)信息，輸 出電機(jī)控制信號(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使小車得以平衡 。 Z 為系統(tǒng)擾動(dòng)輸入由于本設(shè)計(jì)采用鋰電池供電，電源的輸出功率有限，而且調(diào)整小車傾角時(shí)電機(jī)需要頻繁起制動(dòng)，對(duì)電源功率要求較高，會(huì)引起電源較大幅度的擾動(dòng)，所以在本系統(tǒng)中角度環(huán) PID 速度環(huán) PID 電機(jī) 小 車 轉(zhuǎn)速測(cè)量測(cè)量 傾角測(cè)量測(cè)量 U Y 0X 1X Z 6 主要的擾動(dòng)為電源電壓的擾動(dòng)。 0X為系統(tǒng)角度環(huán)輸出值，即小車電機(jī)轉(zhuǎn)速目標(biāo)值。 圖 1 PID 控制流圖 采用雙環(huán) PID 控制，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，用于控制電機(jī)輸出，使車輪轉(zhuǎn)速與角度環(huán)輸出值保持一致；外環(huán)為角度環(huán)，用于保持小車傾斜角度為0。 4 [1]王效杰 . 基于變結(jié)構(gòu)控制的兩輪自平衡小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [D]. 西安電子科技大學(xué) ， 2022， 10(13)： 2326. [2]馮智勇 ， 曾瀚 ， 張力 等 . 基于陀螺儀及加速度計(jì)信號(hào)融合的姿態(tài)角度測(cè)量 [J]. 西南師范大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 )， 2022， 24(4)： 1215. [3] 張志強(qiáng) . 基于 STM32 的雙輪平衡車 [J]. 電子設(shè)計(jì)工程， 2022， 35(2)： 1116. [4] 兩輪自平衡小車系統(tǒng)制作研究 蔣緯洋 鄧 遲 肖曉萍 ．西南科技大學(xué)工程技術(shù)中心智能機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐班 綿陽 （應(yīng)用天地） 2022 年 6 第 31卷 第 6 期 [5] 鄭鈞元．兩輪自平衡機(jī)器人之平衡控制［ D］．臺(tái) 灣：臺(tái) 灣國立中央大學(xué)， 2022． [6] 一種新型兩輪自平衡小車的建模與控制 [M] 丁鳳 ． 2022 年 01 月 11 日 5 三 、 研究內(nèi)容 （說明研究項(xiàng)目的具體內(nèi)容） 本設(shè)計(jì)中使用雙環(huán) PID控制實(shí)現(xiàn)小車的平衡控制。但是實(shí)驗(yàn)證明對(duì)于兩輪自平衡小車而言模糊控制的變現(xiàn)更為優(yōu)異。 軟件是控制系統(tǒng)的靈魂，良好的控制算法是系統(tǒng)性能的保障。目前的研究熱點(diǎn)是質(zhì)心兩輪自平衡機(jī)器人的研究。為了提高兩輪自平衡機(jī)器人的控制效果 ,利用基于 DSP 數(shù)字電路的全數(shù)字智能伺服驅(qū)動(dòng)單元 IPM100 分別精確控制左右輪電機(jī) ,并利用上位機(jī)實(shí)時(shí)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) ,提 高了控制精度、可靠度和集成度 ,得到了很好的控制效果。 在國內(nèi) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的 HITBot 兩輪自平衡小車，采用Accodometry 方法，通過融合碼盤和加速度級(jí)數(shù)據(jù)對(duì)位置進(jìn)行估計(jì)，有效解決了兩輪自平衡小車在運(yùn)行過程中遇到打滑、越障、碰撞等異常事件而導(dǎo)致的位置估計(jì)失敗的問題，解決了非系統(tǒng)測(cè)程法誤差對(duì)機(jī)器人位置估計(jì)的影響，降低了加速度級(jí)固有漂移的不利影響，提高了兩輪自平衡車的定位精度。保持左右平衡通過轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器人體內(nèi)配備的慣性輪來實(shí)現(xiàn)。采用了模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，安裝和拆卸都很方便。實(shí)現(xiàn)了電機(jī)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，遙控操作，可以向前，向后和轉(zhuǎn)彎時(shí)保持平衡，可以實(shí)現(xiàn) U 型回轉(zhuǎn)和零半徑轉(zhuǎn)彎。國內(nèi)的一些高校以及科研機(jī)構(gòu)也對(duì)其有所研究，并取得了一定的成績。自平衡車的種種優(yōu)點(diǎn)使其可以作為一種快速、環(huán)保、安全、舒適、小巧靈活的綠色交通工具，是未來汽車和自行車的替代品，其市場(chǎng)的廣闊性與經(jīng)濟(jì)效益不言而喻。駕駛者不必?fù)?dān)心掌握平衡，車體自身的平衡穩(wěn)定性，使得原本由于平衡能力障礙而無法騎自行車的人群也同樣可以駕馭。 二、 立 項(xiàng) 依據(jù) （包括科學(xué)意義和應(yīng)用前景，國內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢(shì)，學(xué)術(shù)思想，立論依據(jù) ， 特色或創(chuàng)新之處， 主要參考文獻(xiàn)目錄和出處 。 1 基本 信息 1．項(xiàng)目情況 項(xiàng)目名稱 項(xiàng)目性質(zhì) （ ） A 基礎(chǔ)研究 B 應(yīng)用研究 項(xiàng)目 來源 （ ） 1 自主立題 2 教師指導(dǎo)選題 起止時(shí)間 自 年 月 至 年 月 2．申請(qǐng)者情況 姓名 性別 年齡 民族 學(xué)院 專業(yè) 學(xué)號(hào) 項(xiàng)目研究中 承 擔(dān) 的主要任務(wù) 聯(lián)系電話 個(gè)人簡介（學(xué)習(xí)、研究經(jīng)歷） 學(xué)習(xí)成績 及 獎(jiǎng)罰 情況 發(fā)表論文情況 3．項(xiàng)目組成員情況 序號(hào) 姓名 學(xué)號(hào) 所學(xué)專業(yè) 在 項(xiàng)目中 的分工 簽 名 2 一、 研究 目的 （ 研究主攻方向、 擬解決的主要問題 ，用一、兩句話簡潔明確說明。 八、 上報(bào) 《申請(qǐng)書》一式二份（至少含一份原件） 。 六 、封面的項(xiàng)目編號(hào)由教務(wù)處統(tǒng)一編寫。 四 、項(xiàng)目 類別：選填 自然科學(xué) 或 社會(huì)科學(xué) 。對(duì)于填寫不合要求、內(nèi)容含糊不清、字跡潦草者，不予受理。 學(xué)科分類號(hào)（二級(jí)） 云南師范大學(xué)大學(xué)生科研訓(xùn)練基金項(xiàng)目 申 請(qǐng) 書 項(xiàng) 目 名 稱 項(xiàng) 目 類 型 申 請(qǐng) 金 額 項(xiàng) 目 類 別 申 請(qǐng) 者 所 在 學(xué) 院 聯(lián) 系 電 話 電 子 信 箱 指 導(dǎo) 教 師 云南師范大學(xué)教務(wù)處 項(xiàng)目編號(hào) 填 表 說 明 一 、 填 寫《申請(qǐng)書》前，請(qǐng)先查閱《云南師范大學(xué)大學(xué)生科研 訓(xùn)練 基金管理辦法》和相關(guān)通知。 二 、申請(qǐng)書各項(xiàng)內(nèi)容，必須實(shí)事求是，表達(dá)要明確嚴(yán)謹(jǐn)，并要求用打印。 三 、項(xiàng)目類型：選填 重點(diǎn)項(xiàng)目 或 一般 項(xiàng)目 。 五 、 “項(xiàng)目性質(zhì)”和“項(xiàng)目來源”欄需在選項(xiàng)前方的括號(hào)內(nèi)填入相應(yīng) 代碼。 七、 打印格式： （一） 紙張為 A4 大小 ， 雙面打印 ； （二） 文中小標(biāo)題：五號(hào) 、黑體； （三） 欄 內(nèi)正文：五號(hào)、 宋體。申請(qǐng) 項(xiàng)目獲準(zhǔn)后 ， 《申請(qǐng)書》由學(xué)校簽署意見并保存一份，另一份返回學(xué)院存檔。 ） 兩輪自平衡小車智能控制研究。） 環(huán)保流行于當(dāng)下， 自平衡車巧妙地利用地心引力使其自身保持平衡，并使得重力本身成為運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的提供者，載重越大，行駛動(dòng)能也就越大，具有環(huán)保的特點(diǎn)。車身小巧，轉(zhuǎn)彎靈活，可以在狹窄 、大轉(zhuǎn)角的工作場(chǎng)合作業(yè)。 美國、日本、瑞士等國家在研究自平衡車領(lǐng)域起步較早，目前已經(jīng)達(dá)到了先進(jìn)的水平。美國 Lego 公司 Steve Hassenplug 設(shè)計(jì)了兩輪自平衡傳感式機(jī)器人 Legway。 Legway 是第一 個(gè)自平衡機(jī)器人。 日本村田制作所的科學(xué)家研發(fā)了騎獨(dú)輪車的機(jī)器人 “ 村田頑童 ” 和 “ 村田婉童 ” 。 瑞士聯(lián)邦工學(xué)院的工業(yè)電子實(shí)驗(yàn)室為模擬人類行走設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)基于倒立擺理論的兩輪小車，該小車使用 DSP 控制，車架上方3 附有重物模擬實(shí)際車中的駕駛員，該小車使用陀螺儀和電機(jī)編碼器得到的信息來穩(wěn)定系統(tǒng)。 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院等設(shè)計(jì)的兩輪自平衡小車 Opyanbot，應(yīng)用最優(yōu)控制與兩輪差動(dòng)等控制方法設(shè)計(jì)了控制器 ,提出了針對(duì)兩輪自平衡機(jī)器人平衡和行進(jìn)的新策略。 目前，國內(nèi)外現(xiàn)有的兩輪自平衡機(jī)器人一般都是以倒立擺的結(jié) 構(gòu)模型為基礎(chǔ)，根據(jù)機(jī)器人質(zhì)心位置是否可變，分為定 質(zhì)心和變質(zhì)心兩大類。 對(duì)于兩輪自平衡機(jī)器人位置與姿態(tài)信息的獲取，一般選擇陀螺儀、加速器計(jì)傾角傳感器、測(cè)距儀等傳感器，通過數(shù)據(jù)融合得到其位姿態(tài)信息。兩輪自平衡機(jī)器人本質(zhì)上上具有強(qiáng)非線性的倒立擺系統(tǒng)，當(dāng)前多采用極點(diǎn)配置法來進(jìn)行平衡控制，例如臺(tái)灣國立中央 大學(xué)也采用模糊控制。這兩種控制方法是目前普遍采用的兩輪自平衡小車的控制算法。信號(hào) 流圖如圖 1所示。圖中 U 為系統(tǒng)輸入，即小車傾斜角度的目標(biāo)值，該值一直為 0。 1X 為輪子轉(zhuǎn)速， Y 為小車實(shí)際的傾斜角度。 在 PID 控制的基礎(chǔ)上， 利用陀螺儀和加速度的角度融合方法 ， 結(jié)合卡爾曼濾波器實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡機(jī)器人的角度檢測(cè) 。 四 、研究方法和技術(shù)路線 （包括理論分析、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)方法和步 驟及可行性論證，可能遇到的問題和解決辦法） 加速度計(jì)用于測(cè)量物體的線性加速度，加速度計(jì)的輸出值與傾角呈非線性關(guān)系，隨著傾角的增加而表現(xiàn)為正弦函數(shù)變化。測(cè)量數(shù)據(jù)噪聲與帶寬的平方根成正比，即噪聲會(huì)隨帶寬的增加而增加。但是如果要得到精確的傾角值，帶寬就需要設(shè)置得比較小，而這時(shí)加速度計(jì)動(dòng) 態(tài)響應(yīng)慢，不適合跟蹤動(dòng)態(tài)角度運(yùn)動(dòng)，如果期望快速的響應(yīng)，又會(huì)引入較大的噪聲。 陀螺儀的作用是用來測(cè)量角速度信號(hào)，通過對(duì)角速度積分，便能得到角度值。因此，也不能單獨(dú)使用陀螺儀作為本系統(tǒng)的傾