期末论文-课程设计-两轮宝贝车自动行驶的实现原理探讨

工程训练中心-移动机器人的构建与编程1结课作业论文题目：两轮宝贝车自动行驶的实现原理探讨学生姓名：学生学号：所在院（系）：指导教师：日期：项目编号：工程训练中心-移动机器人的构建与编程2目录摘要.........................................................................................................................................................3Abstract...............................................................................................................................................31.为何想到要做两轮宝贝车的自动行驶.........................................................................................32.两轮自动行驶的可行性及其原理.................................................................................................42.1相关产品的实现可行性...............................................................................................................42.2宝贝车的改装实现.......................................................................................................................42.3宝贝车模型的简化.......................................................................................................................52.3.1两轮宝贝车控制系统的搭建................................................................................................52.4宝贝车系统相关参数计算...........................................................................................................62.4.1宝贝车动能的计算................................................................................................................62.4.2宝贝车势能的计算................................................................................................................72.4.3宝贝车耗散能的计算............................................................................................................72.4.4宝贝车拉格朗日表达式以及状态空间的建立....................................................................82.5两轮宝贝车行走机构的仿真和状态验证..................................................................................93两轮宝贝车程序控制.........................................................................................................................93.1鸣扬声器.....................................................................................................................................103.2用变量储存数值.........................................................................................................................103.3控制电机运行时间.....................................................................................................................103.4一个简易的判断反馈判断执行语句.........................................................................................104.参考文献............................................................................................................................................125.致谢....................................................................................................................................................12工程训练中心-移动机器人的构建与编程3两轮宝贝车自动行驶的实现原理探讨摘要自动驾驶一直是当今社会的大趋势，而我们所说的自动驾驶更多的是基于四轮汽车的自动驾驶，同样我们可以实现两轮的摩托自动驾驶，当然我们也可以实现两轮的宝贝车自动驾驶。关键词：宝贝车，自动驾驶TherealizationoftheBoe-Botintelligentrobot’sself-drivingAbstractSelf-drivingisatrendinthecurrentsociety,andtheso-calledself-drivingcarismeantobethefour-wheelcar.However,wecanalsorealizetheself-drivingofthetwo-wheelmotorcycle,certainlywecanaswelllettheBoe-Botintelligentrobotdrivebyitself.Keywords:Boe-Botintelligentrobot，self-driving1.为何想到要做两轮宝贝车的自动行驶这要从我看到的一个Ted视频中的自动驾驶说起，在视频中演讲者给我们展示了Google研制的自动驾驶的汽车，汽车自动驾驶技术包括视频摄像头、雷达传感器以及激光测距器来了解周围的交通状况，并通过一个详尽的地图(通过有人驾驶汽车采集的地图)对前方的道路进行导航。这一切都通过谷歌的数据中心来实现，谷歌的数据中心能处理汽车收集的有关周围地形的大量信息。就这点而言，自动驾驶汽车相当于谷歌数据中心的遥控汽车或者智能汽车。图1Google实现的自动驾驶汽车工程训练中心-移动机器人的构建与编程4于是我接着就想到，如果汽车可以做成自动驾驶的，那么摩托车是否也能做成自动驾驶的呢？如果要实现摩托车的自动驾驶，那么首先要考虑的元素是摩托车的平衡问题。我们知道，一般不会骑自行车的人就是由于找不到平衡的感觉，自行车骑上去就会出现左右偏离的问题，那么我们自然也就联想到，是不是让摩托车自动驾驶的时候也会出现平衡不稳的现象，从而无法正常行驶呢，其实这个担心是完全有必要的。那么这个问题是否可以通过程序来解决呢？我们可以暂时不考虑这个问题。也就是这样一步一步的过来，我想到了让宝贝车实现两轮自动行驶。如果两轮宝贝车实现了自动行驶，后面的那个从动轮就可以去掉了，从而可以让其结构更加简单，行动更加轻便，这无疑是对宝贝车的一个改进。而且两轮自动行驶的实现，我们可以增强宝贝车的娱乐性以及学习趣味性。该宝贝车的定位就是寓乐于学，通过娱乐的方式来学习。而我认为，实现两轮自动控制既是一个重大挑战，又富有相当的娱乐性。同时运用两轮并列的的自动控制原理，我们可以实现一个简易的代步车，在使用的时候将会相当方便。2.两轮自动行驶的可行性及其原理2.1相关产品的实现可行性首先我们环顾生活周围，我们会发现生活中的自行车、摩托车都是两轮的，他们依据的原理都是物理学中运动学以及动力学中的动态平衡理论来实现前进行驶的。在直线行进的过程中自行车的平均中心是在两个轮子的连心上的，在转弯的过程中中心是在靠近圆心的一侧。其实从理论上讲，只要人能够完成的工作，我们都可以通过程序控制来完成。2.2宝贝车的改装实现下面我们说明宝贝车应该如何实现两轮的自动行驶。首先我们可以从生活中找到两轮行进的装置，比如说上面图中所示的代步车。如右图是一辆安装好的完整宝贝车（为方便起见，在这里我们定义左边为前，右边为后），可以看出两个突出的驱动轮十分显眼，而我们在实现的过程中也会只保留这两个大的轮子，而把前面的小轮子拆卸掉。图3完整宝贝车实物图图1自动控制汽车图2代步两轮车工程训练中心-移动机器人的构建与编程52.3宝贝车模型的简化我们可以将宝贝车简化成如下模型在这种情况下，我们需要将整车的重心调整到两轮着地点的的连线中心。2.3.1两轮宝贝车控制系统的搭建在系统模型、分析与控制这门必修课程中，我学习到一些有关自动控制的知识，并且参考教材1，我画出了系统的方框结构。1ModernControlEngineering(FourthEdition)KatsuhikoOgata图4宝贝车简化模型图图4宝贝车简化模型图图5两轮宝贝车控制系统工程训练中心-移动机器人的构建与编程6在此有必要对图5作简要的解释，改装后的宝贝车主要有车体平台、2个带编码的直流伺服电机和左右车轮组成。2个电机安装的位子如图4所示.我们采用和请教传感器组合构成姿态检测传感器，检测车体平台的运行姿态。采用宝贝车自带的可编程逻辑器件对电动机编码器产生的脉冲量进行计数,从而检测出车体平台的位移和速度，根据姿态监测传感器和位置传感器检测到的平台运行姿态信号,通过一定的控制算法计算出控制电压信号,再经D/A转换及驱动器放大后驱动电动机运转,调整车体平台的运行姿态,从而使车体平台始终保持平衡状态。为建立数学分析模型，将行走机构系统简化为图6所示模型，该模型以车体的行走方向为x轴，车轮轴线为y轴，重力垂线为z轴，将整机质量简化集中在P点。由图3可以看出，该系统具有3个自由度；绕y轴的转动，转角P和角速度P；沿x轴的直线运动,位移rmx和移动速度rmv；绕z轴的转动,转角z和角速度。以上6个状态变量完全描述了该三自由度系统的动态特性，系统的平衡靠电动机施加在左右轮轴上的驱动力矩LT和RT