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摘要
当今社会交通压力,汽车尾气,石油燃料大量耗费,空气大气污染,雾灵等是我们关注的焦点也是当下我们致力解决的问题,传统交通工具汽车由于其体积大、堵车、消耗石油燃料、污染耗能等弊端日益显现,急需一种新的交通工具出现,而双轮平衡车由于其具有体积小,机动性强,采用绿色能源供电,无尾气排放,无大气污染等诸多功能,成为当下研巧的重点,发展的热点,世界各国争相研究,异常重视。但是双轮平衡车控制复杂,具有强赖合、非线性、强不稳定性,传统PID控制方式很难达到较好的控制效果,因此本文提出基于神经网络的PID控制策略,解决传统PID控制策略的缺陷,实现优化控制。
本文采用首先采用对称的方式建立双轮平衡车机械框架,在此框架基础上,进行受力分析,采用拉格朗日方程建立系统数学模型,为后续算法设计提供公式基础,其次对双轮平衡车主控电路、检测电路、驱动电路、显示电路、蓝牙电路、供电等硬件进行设计,搭建硬件平台,而后根据各硬件模块功能要求,进行相关模块的软件编写设计,使其能够正常工作并在该搭建的软硬件平台的基础上,融入控制算法,对比传统双轮平衡车PID控制策略,改进其不足,设计基于神经网络的双轮平衡车PID控制策略,实现最优化控制,使双轮平衡车在自平衡、平衡行驶等过程中,保持更稳定状态。
通过制作双轮平衡车模型进行控制算法实际效果实验证,对比传统PID控制算法控制效果,外界条件相同条件下,检测自平衡时双轮平衡车倾角变化曲线以及平稳运行时双轮平衡车倾角运行曲线,对比发现,验证本设计提出的基于神经网络PID控制算法的双轮平衡车,倾角曲线变化更小,运行更为平稳。
关键词:平衡车;神经网络;PID控制
Abstract
In today's society, trafSc pressure, vehicle exhaust, consume a lot of fuel oil, air pollution, haze is liie focus of our attention is the moment we are committed to solve the problem of traditional vehicles because of its large volume, trafSc jam, consumption of fuel oil, energy and pollution problems looming, in need of a new traffic tools, and two wheeled balancing car because of its small size, strong maneuverability, the xise of green energy supply, no emissions, no pollution and many other features, has become the focus of cvirrent research, the development of hot spots, all countrin in the world to study abnormal attention. But the balance of the car wheel control is complicated, nonlinear, strong coupling, strong stability, the traditional PID control method is difficult to achieve good COtrol effect,this paper proposes the neural network PID control strategy based on the traditional PID control strategy to realize the optimization control of defects.
This paper first establishes the two vooeeled balancing car mechanical frame adopts symmetrical way, based on the framework, stress analysis, the mathematical model was set up based on the Lagrange equation, the fonnula provided the foundation for the subsequent algorithm design, followed by the owner of two wheeled balancing control circuit, detection circuit drive circuit， dsplay circuit power supply circuity Bluetooth and other hardware design and build the hardware platform, and thai according to the functional requirements of each module, design related software module, base so that a can work normally and in this so6 hardware platform buHt on the integrated control algorithm, compared with the traditional double balanced car PED control strategy, and improve its defects, the design of neiural network wheel balance the car PID control strategy based on the realization of optimal control of the two wheeled balancing car in self balancing, balanced driving process, To maintain a more stable state.
The actual effect of the control algoritbm by making two wheeled balancing car model, compared with the traditional PID control algorithm to control the effect of external conditions under the same conditions, detection of self balancing two wheeled balancing car when the angle changes curve and smooth operation when the car running two wheeled balancing angle curve, comparison, verification of double balance car neural network PID control algorithm based on the the design proposed changes, smaller angle curve, operation more smoothly.
Keywords: Balance car; neural network; PID control
技术改变世界,改变生活,便捷生活,方便出行。21世纪以石油为燃料的车辆在我们的生活中随处可见,甚至已是目前出行的主要交通工具,但是随着经济的发展,居民生活水平的提高,家用私人小轿车也越来越多的普及到我们的生活中来。随着马路上车辆的増多,相应的问题也随之增多,且日益凸显。最为明显的就是污染和拥挤。
据最新统计表明,北京每年以数十万辆的速度新増家庭轿车,其中绝大部分以石油化石燃料为动为,大量的汽车尾气排放,对环境造成了极大的污染。空气中到处都弥漫着汽车尾气,随之而来导致的空气污染愈加严重。
最近两年由于大量汽车尾气的排放,北京雾霸天气越来越多,PM2.5经常超标,现已成为人们天天热议和关注的话题,天空经常能见度不足百米,根据环保部公布的2016年前H季度空气质量数字,京津冀区域13个城市前H季度平均优良天数比例仅为60.8%,与往天气优良比例相比,差距很大。另根据环保部公布的2016年前H季度空气质量数字,京津冀区域13个城市前H季度平均优良天数比例仅为60.8%,但同欧美等发达国家的优良天数百分之九十以上比例相比,仍然相差较远。汽车尾气排放,导致的环境污染,从而引发大量雾灵已严重影响人们的健康出行。
大量的车辆在马路出现,随之而来的拥堵问题现在也日益严重,每天的上下班高峰期,本来不远的路程,因为车辆导致的道路拥挤,人们不的不提前一两个小时出发,同样的下班髙峰也要晚到家许久,有些地方比如北京上海等较发达城市出行时间占上班时间比例越来越大,更有甚至超过百分之三:十。
每天大量的车辆出行,耗费极大的石油资源,我国石油资源并不丰富,为满足内需,每年进曰大量的石油燃料,根据中国统计局的最新统计数据,今年10月份中国石油日进口量将达到645万桶,而美国同期石油的日进口量是623万桶,中国石油进曰量已超越美国,使得中国过半的石油源于国外进口,对国外产生严重依赖性。
基于以上情况,发展新能源汽车,减少石油燃料使用量,减轻汽车尾气产生污染,减缓出行交通压力,则格外有研究意义了。当前也是国家大为发展的方向,据不完全统计未来几年国家将投入上万亿资金用于环境污染治理,新能源汽车研制与补助。在此大背景的政策支持基础上,电动车得以大力发展,成为当前研究的热点,也在未来交通领域中有着巨大的商业价值。在这类电动车当中有类叫双轮平衡车,区别于以往的四轮驱动轿车,采用两个轮子着地作为支撑点,自动平衡载人行走,具有体积小,采用清洁高效能源,便携时尚舒适等优点。
在工业方面,近一两年我国大力提倡由中国制造向中国创造转型之路,机器人作为工业生产过程的先进智能代名词,拥有大量工业机器人可以减少企业用人人工成本,提高效率,提高产品品质,是中国制造的核也关键所在,传统制造行业,工业区道路复杂危险,人来人往很不安全,若有低成本的小型化机器人代替人或是载人穿梭于工业厂区这种复杂路段,可有效提高运行料率,降低安全隐患,节约成本。在中国一般工业生产方面是一个很庞大的系统,各环节共同协作生产加工制造产品,从原料环节到加工环节,再到成品环节,至到运输存储环节,各个环节都需要人员不断相互协调沟通,物品传递,但传统交通工具如四轮驱动机车体积过大,无法在狭窄的行人通道通行,而且路面相对复杂,四轮驱动的车己无法灵活转弯等,而人员行走路途相较较远,亦不甚方便,因此若有一款体积小,转弯灵活的电动代步车,工厂生产制造过程的场地人员往来能够快速便捷来往,在工作效率上将会有很大的提高,而基于tU上需求的代步车,采用双轮平衡车即可满足上述要求,具有体积小,转弯灵活,速度相对较快,成本低等,拥有诸多优势,可完美应用于工业领域。
双轮平衡车目前应用范围很宽,前景广阔,但是控制起来比较复杂,是由诸多变量综合控制的,且控制过程具有非线性强帮合线性,由于PID控制算法应用广泛,算法成熟,结构简单,普遍适用于电机驱动控制和导轨上运动的线性系统,但对于复杂系统有一定的局限性,而神经网络控制能够充分地逼近复杂的非线性系统,学习和适应严重不确定性系统的动态特性,优化参数,具有很强的鲁棒性和容错性。
本文采用神经网络PID控制策略。解决P扣控制过程中的多变量非线性以及强赖合性问题。
智能双轮平衡车电路设计：
DSP芯片
ARM芯片
Cortex-3系列芯片资源
Jlink仿真器
MPU6065
MPU6065原理图
MPU6065芯片实物图
光电测试码盘
压力传感器
目 录
摘 要
Abstract
1绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研巧现状
1.2.2 国内研究现状
1.3 论文主要研巧内容
1.4 本文组织结构
2 双轮平衡车的结构分析及数学模型建立
2.1 双轮平衡车原理及机械结构设计
2.1.1 双轮平衡车平衡原理
2.1.2 双轮平衡车结构设计
2.2 双轮平衡车数学模型建立
2.2.1 双轮平衡车坐标系建立
2.2.2 双轮平衡车系统模型搭建
2.2.3 双轮平衡车系统速度及能动分析
2.2.4 双轮平衡车系统状态方程
2.3 本章小结
3 双轮平衡车的硬件电路设计
3.1 双轮平衡车硬件电路总体设计
3.2 双轮平衡车微控电路设计
3.2.1 最小系统设计
3.2.2 晶振复位电路设计
3.2.3 JTAG电路设计
3.3 双轮平衡车检测电路设计
3-3.1 陀螺仪电路设计
3.3.2 速度检测电路设计
3.3.3 压力检测电路设计
3.4 双轮平衡车驱动电路设计
3.5 双轮平衡车蓝牙模块设计
3.6 双轮平衡车电源模块设计
3.6.1 电源电量检测电路设计
3.6.2 电源电路设计
3.7 双轮平衡车显示模块设计
3.8 本章小结
4 双轮平衡车的软件及控制算法设计
4.1 双轮平衡车软件开发环境
4.2 双轮平衡车主程序设计
4.3 双轮平衡车驱动电路程序设计
4.4 双轮平衡车蓝牙模块程序设计
4.4.1 蓝牙模块设计
4.4.2 蓝牙通信设置
4.5 双轮平衡车监测模块程序设计
4.5.1 电压模块软件设计
4.5.2 压力模块软件设汁
4.5.3 编码测速模块软件设计
4.5.4 姿态检测单元MPU6065模块软件设计
4.6 双轮平衡车优化控制算法设计
4.6.1 经典PID控制
4.6.2 基于神经网络的PID控制
4.7 本章小结
5 双轮平衡车的实验验证与分析
5.1 自平衡验证
5.2 行驶平衡验证
5.3 本章小结
6 结论与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢
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