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作品展示

原创作品:DAHU

系统分类: 机器人创想秀 - 技术流

作品版权:DAHU 版权所有,禁止匿名转载;禁止个人使用。

DAHU

2015-6-16 12:12:09

初赛得分

总分(31.26)点赞数(160)评委打分(22.75)

评委[创想秀_评委1]:一个很不错的制作,类似的东西市场上产品有许多了; 元器件成本随着批量化生产,会变得很低很低,关键还是产品的性能,要非常优越;当然,性能的优越是需要硬件,更是需要控制算法来实现和保障。

作品亮点:

第一,较目前的平衡车,除了可以代步之外,它采用了物联网技术,例如这个RFID射频识别器识别车主身份,还可以实现景点,展位识别并进行语音介绍,具有良好的应用前景 第二,批量生产的成本较现有产品低,性能达到同类水平,价廉物美 第三具有良好的人机交互性能,可以实时显示车子的运行参数,并预留了很多借口,为进一步的商业开发提供了可能性。

作品说明:

[align=left]    本作品利用倒立摆工作原理,设计了一型两轮电动平衡车,该产品已完成原理样机试制。目前两轮平衡车的研究主要集中在平衡控制算法的研究上。本产品利用一种廉价的陀螺仪产品,结合自主开发的滤波算法,可以实现平衡车的平衡状态采集,并实现平衡车基于位置环和速度环的反馈控制,实现稳定平衡运行。整个产品提供了一种廉价的解决方案,整个作品的技术水平与国内领先地位基本持平,经过后期研发,可进行批量生产阶段。相对于目前市场的产品而言,本产品创新性在两轮平衡车中加入语音播报、路径导航、移动APP控制等功能,符合当前移动互联网时代的使用习惯,也为将来的后续商业开发和功能扩展提供了更多接口。[/align][align=left][align=left][b]1  [/b][b]平衡车系统的总体设计[/b][/align][align=left]本文所设计的电动车主要包含以下几个部分:机械结构的设计、平衡控制系统的设计、人机交互系统的设计。其中人机交互系统又包含智能语音系统的设计、射频识别系统的设计、导航系统的设计、界面显示系统的设计。如图1-1。 QQ图片20150616121347.png [/align][align=left][align=left][b]2  [/b][b]车体机械结构的设计[/b][/align][align=left][b] QQ截图20150616121744.jpg [/b][/align][align=left][b]3  [/b][b]平衡系统的设计[/b][/align][align=left][b]3.1  [/b][b]平衡控制算法的设计[/b][/align]
[align=left]平衡电动车本质上是一个倒立摆系统(如图3-1)。如何通过控制使得倒立摆能够像单摆一样,稳定在垂直位置呢?要达到这一目的,只有两个办法:一个是改变重力的方向;另一个是增加额外的受力,使得恢复力与位移方向相反才行。显然能够做到的只有第二种方法。[/align][align=left] QQ截图20150616121835.jpg
[/align][align=left]控制倒立摆底部车轮,使得它作加速运动。这样站在小车上(非惯性系,以车轮作为坐标原点)分析倒立摆受力,它就会受到额外的惯性力,该力与车轮的加速度方向相反,大小成正比[7]。这样倒立摆所受到的回复力为:[/align][align=left] QQ截图20150616122011.jpg
[/align][align=left]式中,由于θ很小,所以进行了线性化。假设负反馈控制是车轮加速度a与偏角θ成正比,比例为k1。如果比例k1>g,(g是重力加速度)那么回复力的方向便于位移方向相反了。[/align]
[align=left]此外,为了使得倒立摆能够尽快地在垂直位置稳定下来,还需要增加阻尼力。虽然存在着空气和摩擦力等阻尼力,相对阻尼力比较小。因此需要另外增加控制阻尼力。增加的阻尼力与偏角的速度成正比,方向相反。因此式(1)可变为:[/align][align=left] QQ截图20150616122016.jpg [/align][align=left]式中,θ为车模倾角;θ' 为角速度;k1、k2均为比例系数;两项相加后作为车轮加速度的控制量。只要保证在k1>g、k2>0条件下,可以使得车模像单摆一样维持在直立状态。其中有两个控制参数k1,k2,k1决定了车模是否能够稳定到垂直平衡位置,它必须大于重力加速度;k2决定了车模回到垂直位置的阻尼系数,选取合适的阻尼系数可以保证车模尽快稳定在垂直位置[8]。[/align][align=left]在上面简单分析中,通过类比倒立摆得到了车模直立的控制方案。在角度反馈控制中,与角度成比例的控制量是称为比例控制;与角速度成比例的控制量称为微分控制(角速度是角度的微分)。因此上面系数k1,k2分别称为比例和微分控制参数。其中微分参数相当于阻尼力,可以有效抑制车模震荡。通过微分抑制控制震荡的思想在后面的速度和方向控制中也同样适用。[/align][align=left]总结控制车模直立稳定的条件如下: [/align][align=left](1)能够精确测量车模倾角θ的大小和角速度θ'的大小; [/align][align=left](2)可以控制车轮的加速度。[/align]
[align=left]因此我们需要得到车体准确的倾角和角速度,这样才可能使得车体直立。我们采用MPU6050高精度的陀螺加速度计模块来采集车体的加速度和角速度。我们可以通过互补滤波器来融合陀螺仪和加速度的数据从而得到比较准确的角度值angle。互补滤波器的公式如下:[/align][align=left] QQ截图20150616122024.jpg
[/align][align=left]式中angle为当前车体角度,angle _last为前一次滤波得到的角度值,gyro为陀螺仪采集到的车体角速度,dt为数据处理周期,x_acc为加速度计采集到的数据近似得到的角度值[9]。通过此公式我们可以计算得到比较准确的角度值。得到角度和角速度后再结合控制倒立摆的结论我们不难得到直立控制的电机信号公式:[/align][align=left] QQ截图20150616122029.jpg [/align][align=left]式中Stand Output 为电机的直立PWM控制量,Kp1 和Kd 分别为比例系数及微分系数,angle为当前车体的倾角,Angular Velocity为当前车体的角速度[9]。[/align][align=left][media=x,500,375]http://www.tudou.com/programs/view/LaLLsr_tt-U/[/media]
如视频无法观看,请点击以下链接:[/align][align=left][url=http://www.tudou.com/programs/view/LaLLsr_tt-U/]http://www.tudou.com/programs/view/LaLLsr_tt-U/[/url][/align]
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真心80发表于 2015-6-16 22:23:12 | 显示全部楼层
加油。你这个真的是真材实料
坛子多味发表于 2015-6-16 22:25:16 | 显示全部楼层
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