毕业论文--基于Segway的自主平衡车控制器设计

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1、2016届毕业设计（论文）题目：基于Segway的自主平衡车控制器设计专业：测控技术与仪器班级：姓名：指导老师：起讫日期：年月41基于Segway的自主平衡车控制器设计摘要 本文首先对两轮自平衡车的研究背景、研究意义及研究的关键问题做了介绍。接着运用牛顿法推导了平衡车的动力学模型并提出线性化模型和非线性模型的解决思路。然后介绍了Kalman滤波器并利用MPU6050模块采集姿态信息将kalman滤波器应用到平衡车的姿态滤波中。最后利用MATLAB搭建两轮自平衡车仿真实验平台，针对线性模型设计了LQR状态反馈控制器并在仿真平台上做了定点平衡实验；针

2、对非线性模型分别设计了双环PID控制器和加了过渡过程的双环PID控制器，通过在MATLAB中做定点平衡车仿真实验得出改进后的双环PID控制器的控制性能在整体上要优于传统双环PID控制器。 关键词：两轮自平衡车kalman滤波MATLAB仿真LQR状态反馈PID控制41ControllerDesigneroftheTwo-wheeledSelf-balancingRobotBasedonSegwayAbstractThispaperwillfirstlyintroducethebackground,significanceandseveralkey

3、problemsoftheresearch.ThenthedynamicmodelisderivedwithNewton’smethodandtwosolutionsarepropoundedtosolvethisnonlinearsystem.ToobtainthepreciseattitudeinformationofSegway,theKalmanfilteringalgorithm,inventedbyKalmanin1960,isadoptedinthispaper.Followedbytheattitudemeasurement,tw

4、osimulationexperimentplatformsoflinearsystemandnonlinearsystemrespectively,usedfortestingtheperformanceofcontrollers,isbuiltinMATLAB.Finally,astatefeedbackcontrollerofLQR,designedinlinearsimulationplatform,performswellinthefixedpointbalanceexperiment,besides,thedouble-deckPID

5、withtransientprocesshasabettereffectthanthetraditionaldouble-deckPIDcontrollerintheexperimentoffixedpointbalance.Keywords:SegwayKalmanfilterMATLABsimulationLQRPID41目录摘要IAbstractII第一章绪论11.1两轮自平衡车的研究背景及意义11.1.1两轮自平衡车的研究背景11.1.2两轮自平衡车的研究意义11.2两轮自平衡车的研究现状11.2.1国外研究现状11.2.2国内研究现状2

6、1.3两轮自平衡车的关键问题31.4本文的主要研究内容和章节安排4第二章两轮自平衡车数学模型52.1引言52.2两轮自平衡车结构及原理52.2.1两轮自平衡车结构52.2.2两轮自平衡车平衡原理62.3两轮自平衡车的数学模型62.3.1模型假设62.3.2模型参数说明72.3.3模型建立72.4本章小结13第三章姿态传感器测量及滤波143.1陀螺仪和加速计姿态测量原理143.2Kalman滤波器143.3陀螺仪和加速计的数据融合17413.4基于kalman滤波器的平衡车姿态测量仿真18第四章两轮自平衡车的控制器设计204.1引言204.2两轮自

7、平衡车LQR控制器204.2.1线性化状态方程204.2.2LQR控制原理224.2.3控制器设计及仿真244.3两轮自平衡车PID控制器284.3.1PID控制器概述284.3.2两轮自平衡车的双环PID控制器294.3.3控制器仿真304.4两轮自平衡车双环PID控制器的改进324.4.1改进的PID控制器324.4.2控制器仿真334.4.3两种控制器的比较354.5本章小结37第五章总结与展望38参考文献39附录41致谢4241南京工业大学本科生毕业设计（论文）第一章绪论1.1两轮自平衡车的研究背景及意义1.1.1两轮自平衡车的研究背景2

8、0世纪80年代科学家提出自平衡机器人的概念，作为一种轮式机器人，它能够通过合理的控制保持平衡，并且能够在复杂的环境中执行任务。研究学者根