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自平衡载人电动独轮车的控制系统分析.pdf

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万方数据摘 要本文研究的是一种可以作为新型代步工具的自平衡载人电动独轮车。围绕着动力学模型与分析、姿态信息准确获取、姿态平衡控制和电机控制策略对电动独轮车进行了系统性的研究。首先,基于电动独轮车实际运行情况和对运动过程进行合理假设,采用牛顿法对系统进行动力学建模。利用系统的线性化模型,对系统的稳定性,能控、能观性进行分析,并分析因骑行者不同导致模型参数变化带来的影响。建立的模型和相关的动力学特性分析为电动独轮车的控制提供了一定的理论基础。其次,在分析常用惯性元件特点的基础上,结合电动独轮车的控制要求,选用陀螺仪和加速度计来测量电动独轮车的姿态信息,利用合适的姿态更新算法和滤波融合技术,来获得更加准确的姿态信息,为实现电动独轮车的姿态平衡控制建立基础。再次,为提高姿态平衡控制器的控制性能,运用模糊控制的相关知识将非线性特性引入到线性PD控制器中,补偿被控系统中本身存在的非线性。结合电动独轮车动力学模型的非线性特点与其实际运行情况,制定模糊控制规则表,并通过电动独轮车的小角度启动自平衡和脉冲干扰仿真实验,与线性PD控制器进行对比实验,验证设计的自适应模糊PD控制器具备更好的动静态性能。最后,结合自适应模糊PD控制和永磁同步电机矢量控制策略,建立包括姿态环、速度环、电流环的自平衡载人电动独轮车控制系统,来实现电动独轮车的姿态平衡控制,使电动独轮车具备了自平衡和载人功能。在此基础上,针对速度控制和负载突变振动问题提出了改进控制策略,来进一步提高系统的动态性能和抗干扰能力。搭建了自平衡载人电动独轮车实验平台,对其硬件和软件系统分别作了介绍,并对本文的研究内容进行了实验验证。关键词电动独轮车,永磁同步电机,动态模型,姿态解算,自适应模糊PD控制ii万方数据万方数据AbstractThis dissertation studies the self-balancing and manned electric unicycle which can beregarded as a kind of vehicle for transportation.In this paper,researches on the electricunicycle system has been carried on which are the model and analysis,accurate attitudeination acquisition,posture balancing control and motor control strategy.First of all,The dynamic model of an electric unicycle was set up using Newton based on analyzing the actual operation and reasonable assumptions of its motion process.Thestability,controllability and observability analysis of the linearized model are carried out,andthe influence is analyzed which is changes of model parameters because of different rider.Thetheoretical basis for the electric unicycle control is provided by the established model andrelated dynamics analysisSecondly,based on the analysis on the characteristics of common inertial componentsand the control requirements of electric unicycle,the gyroscope and accelerometer are selectedto measure attitude ination of electric unicycle.An appropriate attitude updatingalgorithm and filtering fusion technology are used to obtain the more accurate attitudeination,and then the foundation is established for the realization the posture balancecontrol of the electric unicycleThirdly,in order to improve the control perance of posture balance controller,therelated knowledge of fuz巧control is used to introduce the nonlinear characteristic of intolinear PD controller and to make up controlled system.Combining with the nonlinearcharacteristic and the actual operation condition of electric unicycle,fuzzy control rules tableis ulated.Starting from the small angle and pulse jamming simulation experiments arecarried on to verify the dynamic and static perance of the proposed self-tuning fuzzy PDcontroller,which are compared with the linear PD controller.Finally,combining with the self-tuning fuzzy PD controller and vector control strategy ofpermanent magnet synchronous motor,the control systeIn of self-balanced manned electricunicycle is established,which includes the attitude loop,speed loop and current loop,and theposture balancing control electric unicycle is realized.On this basis,according to the speedcontrol and load mutation problems,the control strategies are proposed to further improve theV万方数据system dynamic perance and anti·interference ability.The experimental plat of theself-balancing and manned electric unicycle has been built and all the hardware and softwaresystems have been deeply introduced.Then several experiments are carried out on the basis ofthe above theoretical and simulation studies.Keywordselectric unicycle,PMSM,dynamic model,attitude algorithm,self-tuning fuzzyPD controlV1万方数据目 录致{时I摘 要IIIABSTRACT.V目 录.ⅥI插图与附表清单Ix第一章绪论11.1课题研究背景与意义..11.2研究现状及分析一21.2.1典型的独轮自平衡机器人21.2.2自平衡载人电动独轮车的研究重点..91.3本文的主要工作11参考文献13第二章电动独轮车动力学建模与分析。172.1电动独轮车动力学建模172.1.1物理系统简化172.1.2动力学建模及模型验证..192.2电动独轮车动力学特性分析..232.2.1动力学模型线性化.232.2.2系统性能分析.242.2.3参数不确定的影响..242.3本章小结25参考文献.27第三章基于自适应模糊PD控制的电动独轮车控制系统.293.1电动独轮车的姿态解算.293.1.1传感器分析及数据融合..29ⅥI万方数据3.1.2姿态更新计算的四元数算法333.2自适应模糊PD控制方法353.2.1模糊控制理论..363.2.2自适应模糊PD控制器设计373.3电机控制策略及其实现.433.3.1永磁同步电机的数学模型443.3.2永磁同步电机的矢量控制系统一453.4电动独轮车控制系统及其改进.483.4.1速度控制的改进控制策略..493.4.2解决负载突变的控制策略一503.5本章小结53参考文献54第四章基于自适应模糊PD控制的电动独轮车控制系统的实现.554.1电动独轮车控制系统的硬件实现一554.1.1永磁同步电机.564.1.2 DSP主控电路.574.1.3独轮车姿态检测电路..594.1.4主功率电路及其驱动电路614.1.5电机相电流检测电路.624.2电动独轮车控制系统的软件实现一624.3实验结果及分析.664.3.1姿态解算实验664.3.2自适应模糊PD控制实验67第五章总结与展望755.1本文的主要结论和创新点.755.2后续工作展望..75攻读硕士期间科研成果..77ⅥTl万方数据插图与附表清单图1.1美国Inventist Inc.公司的SOlowheel1图1.2日本东京大学的独轮机器人..3图1.3北京邮电大学独轮车机器人的虚拟样机3图1.4斯坦福大学独轮机器人的机械结构一4图1.5美国加州大学的Unibot机器人一5图1.6曰本村田公司的Murata Girl一5图1.7釜山大学的独轮机器人.6图1.8北京工业大学的独轮机器人一6图1.9哈尔滨工业大学的独轮机器人.7图1.10美国卡内基梅隆大学的高速陀螺仪独轮机器人7图1.11日本筑波大学的独轮机器人8图1.12美国卡内基梅隆大学的球式独轮机器人一8图1.13台湾国立中兴大学的电动独轮车一9图1.14北京工业大学的电动独轮车10图2.1自平衡载人电动独轮车坐标系定义.18图2.2电动独轮车简化模型示意图.18图2.3电动独轮车受力分析示意图19图2.4系统零输入响应22图2.5系统零状态响应22图3.1电动独轮车控制系统示意图。29图3.2加速度计输出与重力加速度的关系.30图3_3姿态角定义一35图3.4模糊控制器结构图一.36图3.5自适应模糊PD控制器结构37图3.6三角形隶属度函数.38图3.7自适应模糊PD控制系统框图.391X万方数据图3.8基于自适应模糊PD的电动独轮车控制系统仿真图40图3.9电动独轮车仿真模型.40图3.10自适应模糊PD控制器仿真模型..40图3.1l模糊推理系统输出面41图3.12独轮车小角度启动仿真波形.41图3.13自适应模糊PD控制器的参数变化42图3.14独轮车扰动实验仿真波形I.42图3.15独轮车扰动实验仿真波形II.43图3.16三相电压源型逆变器结构图46图3.17逆变器空间电压矢量.46图3.18电压矢量作用时间示意图.47图3.19永磁同步电机矢量控制框图.47图3.20电动独轮车控制系统框图.48图3.21速度给定的改进控制框图.49图3.22速度环等效控制框图51图3.23解决负载突变的控制框图52图3.24改进的电动独轮车控制系统框图.52图4.1电动独轮车实物图..55图4.2硬件系统整体结构框图56图4.3主电路板实物图56图4.4永磁同步电机实物图.57图4.5 DSP主控电路.58图4.6电压转换电路.58图4.7 SPI通讯读、写时序..59图4.8三轴陀螺仪L3G4200D及其外围皂路60图4.9三轴加速度计LIS344及其外围电路60图4.10主功率电路及其驱动电路原理图一61图4.1 1电流传感器ACS709及其外围电路62X万方数据图4.12主程序流程图.63图4.13姿态控制程序流程图..64图4.14保护程序流程图.65图4.15电机控制程序流程图66图4.16姿态解算实验过程67图4.17卡尔曼滤波效果67图4.18正常骑行的对比运行状态图.68图4.19受到扰动的对比运行状态图68图4.20大角度启动的对比运行状态图69图4.21正常骑行的运行状态图70图4.22前后晃动的运行状态图.70图4.23速度给定改进骑行的对比运行状态图..7l图4.24负载突变运行状态图72图4.25加入角加速度的负载突变运行状态图72表1电动独轮车模型变量定义一19表2惯性测量元件性能对比.3l表3吒的模糊控制规则表。39表4△忆的模糊控制规则表.39Ⅺ万方数据
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