The Development of Self-Balancing Controller for One-Wheeled Vehicles

The purpose of this study is to develop a self-balancing controller (SBC) for one-wheeled vehicles (OWVs). The composition of the OWV system includes: a DSP motion card, a wheel motor, and its driver. In addition, a tilt and a gyro, for sensing the angle and angular velocity of the body slope, are used to realize self-balancing controls. OWV, a kind of unicycle robot, can be dealt with as a mobile-inverted-pendulum system for its instability. However, for its possible applications in mobile carriers or robots, it is worth being further developed. In this study, first, the OWV system model will be derived. Next, through the simulations based on the mathematical model, the analysis of system stability and controllability can be evaluated. Last, a concise and realizable method, through system pole-placement and linear quadratic regulator (LQR), will be proposed to design the SBC. The effectiveness, reliability, and feasibility of the proposal will be con- firmed through simulation studies and experimenting on a physical OWV.

基于LQR控制的两轮自平衡小车设计

采用LQR控制算法,实现一种两轮自平衡小车的系统设计.搭建了以STM32F103RCT6为主控制器、MPU6050模块为姿态数据采集、N10激光雷达模块为测距的硬件系统.根据两轮自平衡小车的数学模型,利用LQR控制算法实现小车系统的平衡控制,使用Matlab/Simulink进行系统仿真及分析,并在硬件平台上进行实际测试.实验结果表明:小车功能多样、系统运行平稳、抗干扰能力强、调节速度快,具有应用推广价值.

变输出无模型自适应无人艇艏向控制方法分析

[目的]针对无人艇(USV)艏向控制存在模型摄动、外部干扰等不确定性问题,提出一种适用于USV的改进无模型自适应控制(MFAC)方法。[方法]基于USV艏向控制子系统存在非自衡特性,直接使用紧格式MFAC方法讨论USV的艏向控制子系统在不确定影响下的控制问题。在标准控制准则中引入历史输入项,提出一种变输出紧格式MFAC方法,削弱USV艏向控制子系统中存在的积分作用。最后,开展艏向控制仿真实验以及“海豚IB”小型USV的外场试验验证所提方法的有效性。[结果]结果显示,相比标准紧格式MFAC方法和PID方法,变输出紧格式MFAC方法的USV艏向控制更加稳定。[结论]所做研究可为USV提供一种对环境扰动、模型摄动等影响不敏感、具有较好自适应性及鲁棒性的艏向控制算法。

考虑时滞的自平衡车控制系统稳定性分析

研究了自平衡车控制系统的时滞相关稳定性问题。首先,应用牛顿经典力学,对自平衡车进行数学建模,给出了自平衡车瞬时力学平衡方程,并对控制电机模型进行线性化处理。在此基础上,建立了基于PID控制器并考虑传输时滞的自平衡车系统的整体状态空间模型。为了评估系统的时滞稳定裕度,基于Lyapunov-Krasovskii(L-K)泛函方法,并应用广义自由矩阵积分不等式技术,建立了系统的时滞相关稳定性判据。然后基于给出的稳定性判据,借助Matlab中的线性矩阵不等式(linear matrix inequality,LMI)工具箱,研究了速度环PID参数对自平衡车控制系统时滞稳定裕度的影响。最后,通过仿真实验验证了所提出系统稳定性判据的有效性。

组合式自平衡抱胎举升机结构设计与功能分析

为应对大型车辆维修和保养需求,针对大型车辆特点结合模块化设计理念,设计了一款组合式自平衡抱胎举升机。该文介绍了我国汽车维修使用的举升机设备发展情况,并总结了举升机现阶段的技术不足,结合大型车辆维修保养实际情况,设计了组合式自平衡抱胎举升机。经试验证实,该机具有灵活可靠、电气化程度高、升降控制精确、平衡性好等多重技术优势,适宜应用于货车、客车等大型车辆维修保养。

基于自适应滑模控制的异轴两轮自平衡车

对异轴两轮自平衡车(DATWSBV)进行了研究,将其简化为具有陀螺效应的倒立摆系统(IPS),采用拉格朗日方程建立非线性数学模型,并设计了滑模控制器(SMC)和自适应滑模控制器(ASMC);对无控制、SMC控制以及ASMC控制的3种模型分别进行仿真,结果表明,无控制的异轴两轮自平衡车仅在陀螺仪的作用下无法恢复直立和完成转向;相较于SMC,ASMC能使IPS直行受到干扰时更快地恢复直立,且能达到期望的侧倾角以实现转向;此外,在BikeSim中建立了DATWSBV的实车模型,验证了此Bikesim模型和IPS数学模型的一致性,并基于BikeSim和Matlab/Simulink的联合仿真进一步验证了ASMC的控制效果;结果表明,ASMC能够保证异轴两轮自平衡车辆的抗干扰能力和转向能力。

基于STM32双轮自平衡车的设计与实现——基于分层教学模式的单片机实验教学案例

针对单片机教学过程中学生学习能力不同的问题,利用分层教学,来提升学生学习能力、学习兴趣。通过对双轮自平衡小车控制系统的制定,选用STM32单片机设计作为主板芯片,提出了系统方案设计,同时也对双轮自平衡小车控制系统的规定、架构和设计理念进行论述。设计采用串级PID,将直立环,速度环,转向环串联起来,其中直立环采用PD算法的位置式PID,速度环采用PI算法的增量式PID,转向环直接采用P算法。三个环的串联可以显示小车无论在前进,后退还是转弯时都可保持直立。针对本系统采取了参数的调试和性能的检测,从而证实了双轮平衡车控制系统的必要性和可靠性。

基于滚球倒立摆模型对新型自平衡车载人研究

针对自平衡车制动性能差、抗干扰能力弱等问题,设计了一种新型自平衡车,利用滚球倒立摆模型研究新型自平衡车载人运动过程。构建动力学模型,基于PID控制方法论证了设计方案的可行性;基于自抗扰控制技术改进控制系统,使用Simulink进行仿真并与实验数据对比分析。结果表明,新型自平衡车在较大加速度(15 m/s^(2))时仍能保持稳定,动态品质较高。

双轮载人自平衡控制系统研究综述

双轮载人自平衡控制系统属于一种两轮同轴布置的交通工具,它具有灵活运动、智能控制、操作简便等优点,而且它是一个典型的自然不稳定、多变量、非线性系统,故具有一定的实用价值和研究意义。针对该类系统,介绍了双轮载人自平衡车的组成结构和工作原理。分析了国内外载人自平衡系统的研究现状和技术发展历程,评述了近10年来国内外具有代表性以及自身研发的载人自平衡车的性能特点、设计思路和方法。结合研发成果讲述了载人自平衡系统的研究意义及其电动机系统、自平衡控制系统、传感器测量系统的设计思路。最后,指出了该类载人工具的发展方向。

基于直接转矩控制的两轮自平衡车系统设计

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。

考虑时空特性分布的电动汽车充电负荷预测

随着电动汽车的快速推广应用,对电动汽车充电负荷需求实现较准确的预测也逐步成为电动汽车领域研究的热点。为解决电动汽车大量推广应用后的电网负荷平衡问题,在分析电动汽车时空特性分布的基础上,提出了一种基于自适应动态三次指数平滑法的电动汽车负荷预测模型。该预测模型对传统的三次指数平滑模型进行改进,并根据误差绝对值之和最小的原则及时调整,以获得理想的平滑系数,再对后续的年度最大日电动汽车充电量和不同小区的典型日电动汽车充电负荷进行预测。以某工业小区和居民小区电动汽车负荷分布为例进行仿真,仿真结果表明所提方法误差较小,给出的充电桩规划建议也切实可行。

两轮自平衡小车模型参考自适应控制平衡算法

两轮自平衡小车是一类非完整的本征不稳定系统,其动力学方程具有复杂非线性、高阶次、强耦合、欠驱动等特点,采用牛顿力学分析法进行系统建模,利用前馈、反馈以及输入量构成自适应机构,在此基础上提出模型参考自适应控制(Model Reference Adaptive Control,MRAC)策略对两轮自平衡小车的姿态和速度进行控制。通过仿真,结果表明采用MRAC算法能够在保证系统稳定的前提下,获得接近于给定理想参考模型的动态性能,并使系统在平衡点附近具有良好的鲁棒性。

两轮自平衡小车的系统设计与实现

两轮自平衡小车是以倒立摆模型为基础的动态平衡系统,针对系统设计中的车身结构、姿态检测与动态平衡控制等关键问题进行研究。采用一体化轮毂电机作为自平衡小车的驱动单元,设计轻量化车身结构以降低车身重量和能量损耗。控制系统采用含有加速度计、陀螺仪、电子罗盘的9轴姿态检测传感器检测车身姿态角度,利用卡尔曼滤波算法进行数据融合,获得姿态角度的最优估计,借助PID运动控制算法驱动轮毂电机运动,实现自平衡小车车身的动态平衡。通过参数优化,提升了系统的响应速度,将姿态角度估计的误差降低到0.5°以内,实现了两轮小车自主动态平衡功能,为两轮自平衡小车的设计提供了一种简单、可行、低成本的设计方案。

两轮载人自平衡车姿态测量单元设计

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。

两轮自平衡小车可控角度的推导研究

通过对小车系统的受力分析,推导出小车自平衡条件,即电机水平驱动力需要大于小车重力水平分量。引入小车系统各硬件参数,计算出最大可控角度,并得到可控角度与路面摩擦系数间的关系。可控角度的推导为系统数学建模提供了重要的理论依据。

基于ADAMS与MATLAB自平衡双轮车混合模型建模

根据实车设计数据利用ADAMS软件建立ADAMS多体动力学模型,并与MATLAB/Simulink构成混合仿真模型的步骤和方法;同时利用已有自平衡双轮车数学模型和所研制车的设计参数建立起MATLAB/Simulink模型,并对两种模型给予相同的输入进行仿真。通过分析比较两者仿真结果,发现ADAMS与MATLAB混合模型亦能如实的反映出自平衡双轮车的运动状态,也表明这种基于ADAMS的混合模型可为自平衡双轮电动车等机电系统的动力学仿真提供一种新的模型的构建方法。

两轮自平衡车控制系统设计

将两轮自平衡控制分为平衡、速度、转向进行处理,将平衡控制作为主要控制对象,将速度、方向控制作为干扰,对速度和转向的控制尽可能平滑,以免破坏平衡。通过理论分析建立了动力学方程,得到了各部分控制框图和传递函数。设计中用MPU6050测量车模的旋转角度、角速度、加速度,用编码器测量电机转速,构建了反馈系统。软件设计中用卡尔曼滤波器消除干扰,用PD算法很好地控制了平衡、速度、转向。

基于滑模变结构算法的两轮自平衡电动车控制

针对两轮自平衡电动车(简称两轮自平衡车)平衡控制及其数学模型参数不确定性对系统控制性能影响问题,提出基于滑模变结构和电机磁场定向控制算法的两轮自平衡车控制策略。建立了两轮自平衡车和电机数学模型,并将两轮自平衡系统数学模型进行解耦,得到三个子系统状态空间方程。构造两轮自平衡车控制策略并将滑模变结构算法应用于电机磁场定向控制中。通过仿真分析了所提控制方法的控制效果,表明提出的控制策略可行有效。

铁道车辆自供能量横向主动悬挂系统

为了减少车辆主动悬挂对外部能源的消耗,设计了自供能量主动悬挂系统,建立了车辆半车简化横向悬挂动力学模型,设计了LQG控制器,并利用随机振动理论分析了系统能量平衡存在的条件,采用Matlab/Simulink对系统的运行效果进行了仿真。仿真分析结果表明:自供能量主动悬挂系统比半主动和被动悬挂拥有更好的隔振效果,且当直流电机作动器的等效阻尼系数大于规定值时,系统在实现主动减振控制的同时还能够反馈能量。

基于CCD的两轮自平衡智能车系统设计

介绍了一种基于线阵CCD图像传感器的两轮自平衡循迹智能车系统设计与开发。系统基于第八届飞思卡尔智能车大赛准则,通过陀螺仪与加速度计测量智能车姿态进行反馈调节实现动态自平衡和速度调节,并根据CCD获取的赛道信息控制智能车转向实现自动循迹。系统在控制算法上采用了增量式数字PID控制,使系统更加稳定,改善了系统鲁棒性,最终实现了智能车动态自平衡和自动循迹功能。