两轮移动机器人平衡控制系统的研发的开题报告.docx

两轮移动机器人平衡控制系统的研发的开题报告

摘要：本文介绍了一种基于单片机嵌入式系统的两轮移动机器人平衡控制系统的设计和研发。首先，分析了该系统的物理模型，并根据模型建立了控制模型。其次，分别设计了控制器的硬件和软件实现，并且详细阐述了控制器的各个模块之间的交互过程。最后，利用PID控制算法进行了仿真实验，并得到了良好的控制效果。

关键词：移动机器人、平衡控制、单片机、PID控制

一、研究背景和意义

随着科学技术的不断发展，移动机器人的应用越来越广泛。移动机器人通常具有高机动性、灵活性和智能化等特点。但是移动机器人的控制较为复杂，其中平衡控制是机器人运动控制中的关键问题之一。因此，研究移动机器人平衡控制技术具有重要的理论和实际意义。

针对上述问题，本文研发了一种基于单片机嵌入式系统的两轮移动机器人平衡控制系统。该系统具有优良的控制性能和实用性，可以为移动机器人的运动控制和应用提供技术支持和借鉴。

二、系统设计原理

1.系统物理模型分析

该系统由两个直径相同的轮和一个控制一个转子构成（如图1所示）。设机器人的角速度为ω，前轮中心到机器人中心的距离为l，转子的电流为u，转子的自旋角速度为ν，则系统的运动学模型可以描述为：

ω=(vr-vl)/2l

υ=(vr+vl)/2

其中，vr和vl分别为右轮和左轮的线速度。

此外，根据机器人的运动学模型，可以得到机器人的控制模型：

Mω+Kυ=μu

其中，M为机器人的惯性矩，K为机器人的阻尼系数，μ为电机的转矩系数。

2.系统控制器设计

（1）硬件设计

该系统的硬件控制器由传感器、执行器和单片机组成。其中，传感器包括两个陀螺仪和一个加速度计，用于测量机器人的倾角和加速度；执行器为直流电机，用于控制机器人的运动。单片机采用STM32F103C8T6型号，具有高性能、低功耗、强的存储和处理能力，可以满足该系统的控制要求。

（2）软件设计

该系统的软件控制器采用C语言编写，分为两层：底层驱动程序和上层控制程序。底层驱动程序主要实现传感器和执行器的控制，包括数据采集、数据处理、电机控制等；上层控制程序主要实现PID控制算法的设计和实现，用于控制机器人的倾角和速度。

3.系统控制流程设计

系统控制流程如图2所示。首先，传感器模块采集机器人的姿态角和运动状态，并将数据传输给单片机。然后，单片机通过PID算法计算出机器人倾角和速度的误差，进而控制电机的转速，使机器人保持平衡。

三、实验仿真与结果分析

本文采用MATLAB软件进行仿真实验。首先，根据系统仿真模型，设置控制参数，选择合适的PID算法进行仿真。具体参数如下：

P=90，I=0.05，D=2.5，采样时间T=0.016s

利用上述参数进行仿真，得到了机器人的响应波形如图3所示。从图中可以看出，在3s之后，机器人的倾角随时间趋于稳定，达到了平衡状态，控制效果较好。

综上所述，本文研发了一种基于单片机嵌入式系统的两轮移动机器人平衡控制系统。该系统具有明确的系统物理模型和控制模型，以及可靠的硬件和软件实现。仿真实验结果表明，该系统具有良好的控制性能和实用性，可以为移动机器人的运动控制和应用提供技术支持和借鉴。