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基本信息

項目名稱:
兩輪共軸自平衡機器人
小類:
機械與控制
簡介:
兩輪共軸自平衡機器人是一種倒立擺閉環控制系統。根據兩輪機器人車體的傾斜角度驅動兩個共軸輪讓機器人始終保持直立狀態。在這個系統中機器人的重心遠高于共軸輪子的軸心。機器人的傾斜角度由三軸加速度傳感器與單軸角速度傳感器測量,AVR單片機根據機器人的傾斜角度計算出合適的驅動力,再由編碼減速電機驅動輪子讓共軸雙輪高重心機器人始終保持平衡狀態。
詳細介紹:
本系統由主控制器模塊、傳感器模塊、通訊模塊、運動控制器模塊、伺服電機與輪子等模塊組成。其中主控制器采用AVR單片機,iMEMS加速度傳感器與角速度傳感器組成的傳感器模塊測量機器人靜態或動態時的傾角,主控制器根據傳感器測量的傾角參數計算出合適的驅動力,在利用伺服電機的精確驅動共軸輪,讓機器人停止或行走時始終保持直立平衡狀態。

作品圖片

  • 兩輪共軸自平衡機器人
  • 兩輪共軸自平衡機器人
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作品專業信息

設計、發明的目的和基本思路、創新點、技術關鍵和主要技術指標

兩輪共軸自平衡機器人可以很好地解決高重心機器人運動中的平衡穩定性問題。比如一般的的機器人小車上安裝攝像頭時車體的重心必須足夠低,否則小車運動時很容易翻倒。這種小車為了保持重心足夠低,就必須把攝像頭安裝到較低的位置,這樣攝像頭就無法看到高臺面上物體。如果將攝像頭安裝到較高的位置,一般采用較大或較重的車體基座用以保證車體運動時不翻倒。如果使用我們制作的兩輪共軸自平衡機器人就可以很好地解決上述一般視頻監控小車高重心容易翻倒的問題,可以實現車體重心足夠高(攝像頭可以安裝到足夠高的位置)而車體體積重量又足夠低。 本系統的技術關鍵是如何測量運動中的車體傾角及根據車體傾角選擇合適的控制力度使車體保持直立平衡。車體運動時由于車體慣性與振動會嚴重干擾傳感器的測量值,所以我們使用kalman濾波技術,對加速度傳感器與角速度傳感器的讀數進行濾波與融合,得到精準的讀數,再利用PID算法計算得到合適的控制力度使車體保持直立平衡。

科學性、先進性

利用兩輪共軸自平衡機器人作為視頻監控小車時,由于兩輪共軸自平衡機器人可以自動保持直立平衡,可以將安裝在兩輪共軸自平衡機器人上的攝像頭,根據使用環境場合安裝到很高的位置。無論攝像頭安裝位置有多高,小車的體積重量保持不變且足夠小。

獲獎情況及鑒定結果

作品所處階段

已制作完成兩輪共軸自平衡機器人。兩輪共軸自平衡機器人車體可以自動保持直立平衡狀態。

技術轉讓方式

作品可展示的形式

兩輪共軸自平衡機器人靜態或動態實物展示。

使用說明,技術特點和優勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測

同類課題研究水平概述

目前國外同類作品的技術水平較高,美國Southern Methodist University 的 Department of Geological Sciences 的 DAVID P.ANDERSON 教授所發明的兩輪自動平衡機器人是目前世界上技術含量最高的一種機器人。他采用了ADXL202加速度傳感器和Pittman GM8712 馬達作為驅動,實現了較高的自平衡穩定性。 在國內臺灣省學生做的該方案是采用增強型51芯片C8051F005 做主控制芯片,采用加速度傳感器和陀螺儀(角度傳感器)實現了自平衡。內地愛好者采用的平衡方案是水銀開關。由于只用了水銀開關,沒有使用陀螺儀,所以導致小車擺動厲害,平衡效果很差。還有一些愛好者利用基于DSP數字電路的驅動單元分別精確控制左右輪電機,并利用上位機實時控制機器人的運動狀態,提高了控制精度、可靠度以及集成度,最終得到了很好的控制效果。
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