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两轮自平衡机器人系统的设计
资料介绍
两轮自平衡机器人是一种新型的移动机器人，它结合了移动轮式机器人和倒立摆系统的结构，是一个自然不稳定、强耦合、非线性系统。两轮自平衡机器人可以作为一个检验控制理论良好的实验平台，同时也因为运动灵活等优点具有很高的实用价值，尤其是作为个人交通工具，具有很大的发展潜力。
本文首先设计了一款自平衡机器人。使用陀螺仪和加速度计作为姿态测量传感器不断测量车身的的姿态信息，通过A/D转换这些模拟信息传送给作为控制核心的AVR单片机，经过数据处理后，AVR通过H桥电路将控制信号以PWM方式去驱动直流电机的，达到调节车身姿态的目的。
在设计的基础上，通过牛顿力学对这个系统进行数学建模，得到系统的状态空间方程。通过这个建模的过程，可以看出这个系统是一个不稳定的非线性系统，也为后面的控制理论分析打下基础。
对该系统姿态的测量将直接影响自平衡控制算法的效果。本文提出了基于卡尔曼滤波的传感器数据融合方法，弥补了加速度计和陀螺仪各自在倾角测量时的不足。通过建立一个实验平台来检验这个算法的有效性，实际测试中该算法取得了不错的效果。
最后本文对两轮自平衡机器人的控制方法进行了研究和分析。通过把两轮自平衡机器人运动分解为自平衡与转向两个运动过程，对系统实现了进行了解耦。本文主要研究自平衡运动的动态控制，利用状态反馈和极点配置，使系统的各项性能指标均满足预期的要求。
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