兩輪移動(dòng)機(jī)器人平衡控制系統(tǒng)的研發(fā)的開(kāi)題報(bào)告

兩輪移動(dòng)機(jī)器人平衡控制系統(tǒng)的研發(fā)的開(kāi)題報(bào)告摘要：本文介紹了一種基于單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的兩輪移動(dòng)機(jī)器人平衡控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)。首先，分析了該系統(tǒng)的物理模型，并根據(jù)模型建立了控制模型。其次，分別設(shè)計(jì)了控制器的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)，并且詳細(xì)闡述了控制器的各個(gè)模塊之間的交互過(guò)程。最后，利用PID控制算法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，并得到了良好的控制效果。關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人、平衡控制、單片機(jī)、PID控制一、研究背景和意義隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。移動(dòng)機(jī)器人通常具有高機(jī)動(dòng)性、靈活性和智能化等特點(diǎn)。但是移動(dòng)機(jī)器人的控制較為復(fù)雜，其中平衡控制是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。因此，研究移動(dòng)機(jī)器人平衡控制技術(shù)具有重要的理論和實(shí)際意義。針對(duì)上述問(wèn)題，本文研發(fā)了一種基于單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的兩輪移動(dòng)機(jī)器人平衡控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制性能和實(shí)用性，可以為移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制和應(yīng)用提供技術(shù)支持和借鑒。二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理1.系統(tǒng)物理模型分析該系統(tǒng)由兩個(gè)直徑相同的輪和一個(gè)控制一個(gè)轉(zhuǎn)子構(gòu)成（如圖1所示）。設(shè)機(jī)器人的角速度為ω，前輪中心到機(jī)器人中心的距離為l，轉(zhuǎn)子的電流為u，轉(zhuǎn)子的自旋角速度為ν，則系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可以描述為：ω=(vr-vl)/2lυ=(vr+vl)/2其中，vr和vl分別為右輪和左輪的線(xiàn)速度。此外，根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，可以得到機(jī)器人的控制模型：Mω+Kυ=μu其中，M為機(jī)器人的慣性矩，K為機(jī)器人的阻尼系數(shù)，μ為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)。2.系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)（1）硬件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的硬件控制器由傳感器、執(zhí)行器和單片機(jī)組成。其中，傳感器包括兩個(gè)陀螺儀和一個(gè)加速度計(jì)，用于測(cè)量機(jī)器人的傾角和加速度；執(zhí)行器為直流電機(jī)，用于控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。單片機(jī)采用STM32F103C8T6型號(hào)，具有高性能、低功耗、強(qiáng)的存儲(chǔ)和處理能力，可以滿(mǎn)足該系統(tǒng)的控制要求。（2）軟件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的軟件控制器采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，分為兩層：底層驅(qū)動(dòng)程序和上層控制程序。底層驅(qū)動(dòng)程序主要實(shí)現(xiàn)傳感器和執(zhí)行器的控制，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、電機(jī)控制等；上層控制程序主要實(shí)現(xiàn)PID控制算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，用于控制機(jī)器人的傾角和速度。3.系統(tǒng)控制流程設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制流程如圖2所示。首先，傳感器模塊采集機(jī)器人的姿態(tài)角和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)。然后，單片機(jī)通過(guò)PID算法計(jì)算出機(jī)器人傾角和速度的誤差，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使機(jī)器人保持平衡。三、實(shí)驗(yàn)仿真與結(jié)果分析本文采用MATLAB軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。首先，根據(jù)系統(tǒng)仿真模型，設(shè)置控制參數(shù)，選擇合適的PID算法進(jìn)行仿真。具體參數(shù)如下：P=90，I=0.05，D=2.5，采樣時(shí)間T=0.016s利用上述參數(shù)進(jìn)行仿真，得到了機(jī)器人的響應(yīng)波形如圖3所示。從圖中可以看出，在3s之后，機(jī)器人的傾角隨時(shí)間趨于穩(wěn)定，達(dá)到了平衡狀態(tài)，控制效果較好。綜上所述，本文研發(fā)了一種基于單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的兩輪移動(dòng)機(jī)器人平衡控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有明確的系統(tǒng)物理模型和控制模型，以