嵌入式双轮直立机器人控制系统设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

移动机器人是研发较早的一种机器人，主要有轮式、履带式、腿式、蛇行式、跳跃式和复合式。移动机器人家族最早出现和最普遍存在的一位成员就是轮式机器人。轮式机器人是一种特殊的双轮直立机器人，其工作原理源于倒立摆的控制原理，经过对其进行动力学模型建立和分析，可以知道其系统是非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统。 双轮直立机器人始创于二十世纪八十年代的东京， 其设计概念是由东京电信大学的一名教授首先提出的， 并申请了专利。同一时期，美国发明家发明出了一款名为Segway的机器人， 该机器人独有的动态平衡技术与人体平衡类似，并拥有先进的机器配置， 发展到现在， 该机器人已经发展到多个系列， 并在市场中广泛应用。2002 年，瑞士科学家发明出一种比Segway更轻便灵巧的机器人， 次年，美国也设计出一款结构复杂的机器人， 名为nBot， 但这两种机器人都有倒地后无法自行直立的缺陷。在此之后，很多国外的机器人研究者先后设计出多款类似的机器人，双轮直立机器人的研究也越来越火热 。 我国对双轮直立机器人的研究起步相对落后， 2002 年，我国才真正开始对双轮直立机器人Segway进行研究， 并试图研制属于过我自己的双轮直立机器人，经过科研人员五年的不懈努力和研究，中国的双轮直立机器人已经可以独立完成个中动作， 但仍没有实现倒地后自动直立。同年， 河南一所企业与高校联合研制一种新型的双轮直立机器人，并在次年制作出样机，该机器人在平衡控制系统方面已达到国内先进水平。2003 年， 中国科技大学的师生研制出了一款自平衡电动代步车， 使该技术走向实用化。 2005 年， 哈工大的一名学生运用线性控制技术，真正意义上实现了双轮移动机器人的平衡。截至目前， 我国的双轮直立机器人已经开始实现大量生产，并将广泛投入到人们的生活和工作中 。 双轮直立机器人本身的发展前景和市场定位，决定了其需要在以下几个问题上不断发展和改进：1.承载能力的限制。目前的双轮直立机器人的整体大小和平衡调节能力都非常有限，还不能实现真正类似于人体自平衡的”直立”状态。2.由于市场对双轮直立机器人承载和蓄电能力不断提出新的要求。双轮自平衡的承载能力和蓄电能力的提高是未来研究很重要的一个发展期望。3.双轮直立机器人对不同体型驾驶者的力学模型识别成功率有待提高。如果不能很好地分析出驾驶者驾驶双轮机器人时候的力学本质，就不能实现很好的控制机制。 所以，综合以上三点，高稳定性，低能耗性和高适应性是双轮直立机器人当下发展需要面对的问题和改进的主要方向。

2. 研究的基本内容与方案

双轮直立机器人控制系统的组成包括系统的外观设计，并由此建立系统的动力学模型。当然还包括系统硬件电路的设计和控制算法的设计。由于动力学模型和硬件模块设计具有通用性，故初步使用图1以下的简单模型作为所要完成的双轮直立机器人的外观，并使用图2作为双轮直立机器人的软硬件系统框图。

图1 双轮直立机器人简单示意图

图2 软硬件系统框图

3. 研究计划与安排

第01周 收集资料、阅读相关的文献；第02周～第03周 查阅资料了解小车自立控制的基本原理并且完成开题报告；第04周～第09周 完成直立传感器接口和系统的总体架构设计；第10周～第13周 完成直立控制系统组建与驱动设计，完成系统软件设计；第14周～第15周 撰写毕业论文，完成20000字符英文资料翻译； 第15 ~ 17周 毕业设计答辩

4. 参考文献（12篇以上）

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