机械电子学——机电一体化系统中的数字化检测与控制 罗华机工社机械电子学-第1章 从设计实例开始学习

1、机械电子学,机电一体化系统中的数字化检测与控制,Mechatronics,罗华，傅波，刁燕，等 著 机械工业出版社,第1章 绪论,1.1 机械电子学概述 1.1.1 机械电子学与机电一体化 1.1.2 机械电子学研究的主要内容 1.2 机械电子学的应用与发展 1.2.1 机械电子学的典型应用 1.2.2 机械电子学的发展前景 1.3 以微处理器为基础的机械电子产品设计 1.3.1 如何开发机械电子产品 1.3.2 利用机械电子学进行机电产品系统设计 1.3.3 机电系统的数字化 1.4 设计实例MIT两轮自平衡机器人 1.4.1 两轮自平衡机器人的工作原理 1.4.2 两轮自平衡机器人的外观和结构,机械电子学,绪论延伸部分：从设计实例开始学习Mechatronics,Mechatronics,Start from our Segway,机械电子学,课外视频两轮“倒立摆”智能轮椅演示,segway i2介绍,年轻时尚的选择!,segway 赛格威 in China,自平衡机器人,两轮自平衡机器人有着广泛的应用前景，其典型应用包括代步工具、通勤车、紧急服务、邮件派送、空间探索、战场侦察、危

2、险品运输、灭火、智能轮椅、高科技玩具、多机器人合作、机器人足球、控制理论测试平台等许多方面。,机械工业出版社,Mechatronics,自平衡车Segway的研究起源是两轮自平衡机器人，最早是为了解决工作区域狭窄、路面不平、工作环境复杂多变、需要经常转向的工作场合，如何在这样的环境里灵活快捷的完成任务，使机器人不但能够适应特定的环境及任务需求，而且在动态变化的复杂未知环境中也能够体现出高度的灵活适应性。,自平衡车-研究状况（ （美日欧） ）,最早提出两轮自平衡机器人构想的是日本Electro-Communications大学的Kazuo Yamafuji教授，他在1985年就萌生了制造一种自动站立机器的构思，并在1987年申请的一项“平行双轮机器人”的专利中，使用了该技术。,机械工业出版社,Mechatronics,自平衡车-Segway,机械工业出版社,Mechatronics,第一辆赛格威的预产车，引起巨大轰动,卡门筹措到9000万美金创立雅克罗责任有限公司，作为唯一产品的自平衡车，项目计划代号叫作“姜”（Ginger）,迪恩卡门与美国强生合作开发的自动平衡式动力轮椅 iBOT,2

3、月，研发与制造厂在美国新罕布夏州贝福特破土动工；12月公开了赛格威随意车（Segway HT）的原型车,成功量产 2005年发布了多种新款的衍生车型,自平衡车-Segway,操作感觉类似滑板，但更为高速和灵活,机械工业出版社,Mechatronics,原地转向，0回转半径，无刹车系统,驾驶简单，愉悦性非常高,对路况适应性较好,驱动功率大大减少,省电省力，0排放,可进入电梯、地铁等，在城市街道内操作时机动性极高。,自平衡车-Segway,Segway,机械工业出版社,Mechatronics,自平衡车-其它,GE公司PUMA,机械工业出版社,Mechatronics,驾驶方式上，P.U.M.A.也不再使用SEGWAY标志性的T字把，而是使用更为先进和高级的线传操纵方向盘。但在操作形式上，P.U.M.A.却又融合了SEGWAY产品与普通汽车驾驶的特点它和SEGWAY经典T字把完全一样,通过推拉方向盘来实现加速和减速，但在转弯上又回归到传统，通过转动方向盘来实现转弯。除去两个用来驱动的主动轮，P.U.M.A.还配有可以收放的四个小直径轮，主要用于停车时支撑车辆。 。,P.U.M.A.自重13

4、6kg，使用锂电池作为电力，它可以搭载两人，最高时速可以56KM/H，行驶范围则可达56KM,自平衡车-其它,TOYOTA公司Winglet,机械工业出版社,Mechatronics,Winglet专门为行动不便的老年人设计 ，该系列产品分为S/M/L三个型号，最高时速可达3.7英里。 与Segway粗矿的外形不同，这款名为Winglet的产品体积更加小巧。但是功能上却毫不逊色，同样可以利用内置的陀螺仪来感应使用者的倾斜从而自动调节行驶方向，为使用者提供更为自然、舒适的体验。,自平衡车-总结,机械工业出版社,Mechatronics,Segway最基本的构造可被概括为传感器、控制系统和马达系统。,罗华 四川大学 机械电子学 课件,First Step of our Segway,1.设计内容 2.控制对象的原理 3.参数的确定 4. 团队分工与计划 5. 控制模型的设计仿真 6. 机械电子学部分内容的设计,Pdf：Edgarfinalreport,自平衡车-设计步骤,机械工业出版社,Mechatronics,自平衡车-设计内容,机械工业出版社,Mechatronics,系统,异常过程中

5、定位控制策略,自平衡算法,机械、控制及感知 系统设计,机构运动学及动力学分析,能量优化控制策略,导航等其它,自平衡车-原理,对于人而言，当人体的重心向前倾斜并失去平衡时，人通过自身的感觉器官能够察觉到自己身体的倾斜（角度），于是他会做出一个反应向前迈出一步来防止自己摔倒在地上。如果身体一直前倾，为了保持平衡，人就会一步又一步地往前走。 因此，如果将两个由电机驱动的车轮看成人的双腿，再加上能够测量车体相对于水平面倾角大小和速度的传感器，最后通过微处理器的控制便能够实现车体自平衡的效果。因而当人站在车上时，只要将身体带动车体一起往前倾（或后倾）就可以实现电动车载人前进（或后退）。,机械工业出版社,Mechatronics,由于两轮自平衡电动车的两轮结构，使得它的重心在上、支点在下，故在非控制状态（或静态）下为一不稳定系统。然而，可以利用倒立摆系统的控制原理，通过微处理器的控制使它能够如倒立摆一样稳定在一个平衡位置处，并能在保持平衡的状态下按照使用者的指令要求正常运行。两轮自平衡电动车实际上是一级直线式倒立摆和旋转式倒立摆的结合体，它的控制原理与倒立摆系统的基本一致。更形象地说，自平衡电动车

6、的工作原理更像人行走的过程。,自平衡车-原理,赛格威的运作就是建立在这种被称为“动态稳定”（Dynamic Stabilization）的基本原理上。以内置的精密固态陀螺仪（Solid-State Gyroscopes）来判断车身所处的姿势状态，透过精密且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，驱动马达来做到平衡的效果。 假设我们以站在车上的驾驶人与车辆的总体重心纵轴作为参考线。当这条轴往前倾斜时，赛格威车身内的内置电动马达会产生往前的力量，一方面平衡人与车往前倾倒的扭矩，一方面产生让车辆前进的加速度，相反的，当陀螺仪发现驾驶人的重心往后倾时，也会产生向后的力量达到平衡效果。因此，驾驶人只要改变自己身体的角度往前或往后倾，赛格威就会根据倾斜的方向前进或后退，而速度则与驾驶人身体倾斜的程度呈正比。原则上，只要赛格威有正确打开电源且能保持足够运作的电力，车上的人就不用担心有倾倒跌落的可能，这与一般需要靠驾驶人自己进行平衡的滑板车等交通工具大大不同。,机械工业出版社,Mechatronics,自平衡车-原理,一般的飞机要用约10多个陀螺仪，Segway装置了五个固态陀螺仪。事实上，车辆只需要三

7、个陀螺仪就可以完全掌控车身的前后倾与侧倾程度，因此多出的两个陀螺仪其实是用来确保行车安全的,机械工业出版社,Mechatronics,Segway最基本的构造可被概括为传感器、控制系统和马达系统。,作者实验室设计的自平衡车-指标参数,机械工业出版社,Mechatronics,形状,速度,电池,费用,自重40公斤 载重200公斤 折叠设计, 可放入汽车 后备箱,最大速度： 40km/H 最大行程: 40公里 爬坡: 30度,每公里平均 0.06元,锂电池： 磷酸铁锂 （铁电池） 寿命:充电2000次。正常使用约为5一8年,作者实验室设计的自平衡车-团队分工,机械工业出版社,Mechatronics,控制系统及感知系统设计； 能量优化控制策略,机械系统设计，机构运动学分析及动力学分析，运动仿真,数学建模；运动控制策略，自平衡算法，研究,机械组,机电组,模型组,作者实验室设计的自平衡车-设计周期,机械工业出版社,Mechatronics,系统建模,功能结构,系统设计,机械、电子,分析仿真,控制模型,测试 原型机,数字和实际样机,2011.1,2011.3,2011.12,2012.3,作者实验室设计的自平衡车-总体机电结构,作者实验室设计的自平衡车-测试的控制方程之一,MIT自平衡机器人,MIT自平衡机器人,

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