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1、智能轮式机器人平台软硬件设计和系统控制重庆大学硕士学位论文(专业学位)学生姓名：汪宇辰指导教师：王见副教授兼职导师：马冰高级工程师学位类别：工程硕士（机械工程领域）重庆大学机械工程学院二O一六年四月ThedesignofintelligentwheeledrobotplatformAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementforProfessionalDegreeByWangYuchenSupervi
2、sedbyassociateProfessorWangJianPluralisticSupervisedbySN.ENGR.BingMaSpecialty:ME（MechanicalengineeringField）CollegeofMechanicalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril,2016中文摘要摘要本文设计的智能轮式机器人以机械结构和软硬件的设计为主，智能轮式机器人是机器人研究领域中的一个分支方向，应用于工业、农业、医疗行
3、业等各行各业，具有极高的研究价值。在嵌入式技术基础上，设计并制作了智能轮式机器人平台，通过上位机发送命令的形式进行远程控制，该平台实现了基本运动（前进、后退、转向）、两轮自平衡功能、调速和避障等功能，整个系统涉及机械结构设计、电机驱动、传感器电路设计及数据处理、控制算法优化、rt-thread操作系统的使用、软件调试等多个方面。智能轮式机器人平台搭建主要包括：控制系统的机械结构、硬件电路部分和软件流程。机械结构主要分为：普通模式和平衡模式，硬件电路部分主要从控制核心、电机驱动和电流检测三方面论述，嵌入式
4、软件部分使用rt-thread操作系统进行编程。本文重点研究并实现了三相直流电机的驱动算法、PID调速和两轮自平衡算法。电机驱动算法将电机状态分为一级和二级状态，通过引入命令模式的形式和PID算法，实现了对电机的控制；两轮自平衡则在建立模型、分析传递函数基础上，通过均值滤波+卡尔曼滤波+角度PD算法+速度PI算法，实现了轮式机器人在平衡状态下的基本运动（前进、后退、转向）、速度控制和方向控制。经过了大量模拟实验，先初步确定了卡尔曼滤波参数，再通过实际实验，确定了现有的各项控制参数，如：电机PID调速参数
5、、自平衡角度PD算法参数和速度PI参数等。在此基础上，通过实验分析，得出了电机驱动算法能有效减小换向电流的结论，并分析了两轮自平衡状态下的角度和角速度变化趋势。本文以轮式机器人平台为核心，研究了各种算法并确定了各项实验参数。该平台实现了两种模式：普通模式和平衡模式，为今后的研究提供了良好的软硬件平台。关键词：轮式机器人，两轮自平衡，卡尔曼滤波，PID，rt-threadI英文摘要ABSTRACTThedesignoftheintelligentwheeledrobotismainlybasedonthe
6、designofthemechanicalstructure,softwareandhardwareinthisthesis.Theresearchofintelligentwheeledrobotwhichhashighresearchvalueisabranchoftherobotresearchfield.Itisusedinindustry,agriculture,medicalindustryandothers.Onthebasisofembeddedtechnology,theplatfor
7、mofintelligentwheeledrobotisdesignedandmanufactured,whichiscontrolledbytheformofthehostcomputertosendcommands.Theplatformrealizesthebasicmovement(forward,backward,turnaround),twowheeledself-balancing,speedcontrolandobstacleavoidancefunction.Thesysteminvo
8、lvesmechanicalstructuredesign,drivemotorandsensorcircuitdesignanddataprocessing,controlalgorithm,rt-threadoperatingsystem,softwaredebuggingandsoon.Theconstructionoftheintelligentwheeledrobotplatformmainlyincludes:themechan
