控制系统数字仿真与CAD 第3版 教学课件 ppt 作者 张晓华 主编 _ 自平衡独轮机器人

1、2019/5/26,哈尔滨工业大学 运动控制实验,自平衡独轮机器人调查报告,HITEE,报告人：姚文昊,2019/5/26,哈尔滨工业大学 运动控制实验,壹 背景及意义,贰 发展状况,叁 控制原理,肆 陀螺仪介绍,伍 启 示,主要内容,2019/5/26,哈尔滨工业大学 运动控制实验,背景及意义,NO MAGIC,2019/5/26,哈尔滨工业大学 运动控制实验,姓 名：村田婉童 村田女孩 英文名：muratagirl 身 高：50cm 体 重：5kg 速 度：2cm/s 生 日：2008年9月23日 籍 贯：日本滋贺县 亲 友：表哥 村田顽童 本 领：前进 后退 跟随,背景及意义,村田婉童 简介,2019/5/26,哈尔滨工业大学 运动控制实验,背景及意义,村田顽童 BEST INVENTION 2006 过S型独木桥 上坡 倒车入库等,2019/5/26,哈尔滨工业大学 运动控制实验,背景及意义,村田制作所 简介,成 立：1950年12月23日(创业于1944年10月) 资 本 金：693亿7千6百万日元(2008年3月31日统计) 代 表 者：村田恒夫 营 业 额：6316亿5千

2、5百万日元 生产品种：独石陶瓷电容器、陶瓷滤波器、陶瓷振荡子表面波滤波 器、多层设备、近距离无线通信组件 (包括Blue tooth组 件)、介质陶瓷滤波器、隔离器、电路组件、电源、EMI 静噪滤波器 、 线圈 、传感器、热敏电阻器、半固定可 变电阻器、网络电阻、高压电阻器等,2019/5/26,哈尔滨工业大学 运动控制实验,背景及意义,电容,线圈,传感器,振荡子,滤波器,电源,球形扬声器,电阻,产品展示,2019/5/26,哈尔滨工业大学 运动控制实验,研究意义,背景及意义,电子器件应用,机械和控制领域,非线性系统、欠驱动欠约束系统的控制,展现了微电子技术在现实生活中应用的可能性，给工程人员以更为广阔的空间,2019/5/26,哈尔滨工业大学 运动控制实验,广告宣传,引导教育,有力的增强了企业知名度，为产品赢得了广阔的市场空间，显示企业强大的科研能力。,缓解日本社会儿童偏科严重的现象，得到很多孩子的喜爱。这也是“村田婉童”计划启动的初衷。,背景及意义,2019/5/26,哈尔滨工业大学 运动控制实验,背景及意义,2019/5/26,哈尔滨工业大学 运动控制实验,发展状况,日 本,香港

3、YangshengXu设计了一种基于陀螺仪稳定的独轮车机器人,香 港,日本ZaiquanSheng通过模仿人骑独轮车的技巧，设计了一种仿人机器人实现独轮车在三维空间中的姿态稳定,2019/5/26,哈尔滨工业大学 运动控制实验,发展状况,美 国,Focus Design于今年刚刚推出的SBU型似单轮脚踏车，它利用与 Segway 相同的平衡原理，内部放置水平与垂直陀螺仪，可通过身体重心进行左右、前后的控制，来作前进、停止和转弯等动作。SBU的极速约12.8km/h，每充一次电可行驶约19.2公里或1.5小时而且重量仅为12.4公斤。价格约1500美元，被媒体称为Segway杀手。,2019/5/26,哈尔滨工业大学 运动控制实验,发展状况,国 内,北京机械工业学院 金志勇 独轮机器人的非完整运动规划研究 北京邮电大学 郭磊 自行车机器人非线性系统中若干问题的研究 研究机构和相关文章都较少。以上两篇文 章均给出了独轮车的数学模型和控制器设计方 案，但都只停留在理论工作上，硬件实现还有 待研究和发展。,2019/5/26,哈尔滨工业大学 运动控制实验,控制原理,前后平衡控制,“村田婉童”的

4、前后平衡控制原理与直线倒立摆相同。内置电机通过齿轮组的转向和传递驱动轮子运转。,启动问题,普通电动车 直接驱动电机驱动 Segway 驾乘者身体前倾,机器人的控制主要是平衡控制，而平衡控制主要分为前后与左右两个方向。,2019/5/26,哈尔滨工业大学 运动控制实验,控制原理,解决方案,“村田婉童”接到启动信号后对电机施加一个与运动方向相反电压脉冲，并短时间关断平衡控制器，这时机体前倾为机器人启动提供初始条件。,有待 考证,2019/5/26,哈尔滨工业大学 运动控制实验,控制原理,左右平衡控制,2019/5/26,哈尔滨工业大学 运动控制实验,控制原理,陀螺原理,旋转体上各质点绕一轴旋转，垂直于此轴上的各点在平面内力矩平衡，因此各点有保持在该平面内运动的趋势，这个轴也就有保持在原位的趋势，这就是陀螺原理。 陀螺旋转越快，稳定趋势越强。自行车也是应用了这一原理，只不过自行车做的是直线运动。,2019/5/26,哈尔滨工业大学 运动控制实验,控制原理,村田兄妹控制原理,为保持左右平衡，机器人体内的陀螺仪检测出角速度和位置倾角并传给控制器，控制器通过旋转胸前的惯性轮达到平衡。 这个惯性轮与

5、陀螺不同的是其轴为水平放置而非垂直状态，因而它运用的也并非传统意义上的陀螺原理。,当机体向右倾斜，惯性轮向右旋转，由角动量守恒原理会对机体产生一个反冲力使其向左运动达到平衡,2019/5/26,哈尔滨工业大学 运动控制实验,陀螺仪介绍,根据陀螺原理（旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的）制造的角度检测装置叫做陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。,陀螺仪原理,压电陀螺仪 微机械陀螺仪 光纤陀螺仪 激光陀螺仪,陀螺仪分类,2019/5/26,哈尔滨工业大学 运动控制实验,陀螺仪介绍,MEV-50A-R,2019/5/26,哈尔滨工业大学 运动控制实验,陀螺仪介绍,MEMS简介,MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的缩写。 MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。 尺寸小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米。采用以硅为主的材料，电气特性优良。采用与集成电路（IC）类似的生成技术，可进行大批量、低成本生产，使性价比大幅度提高。 我国供应商主要有：上海微系统所、沈阳仪表所、电子部13研究所、北京微电子所等。,压力传感器 加速度计,静电驱动斜 微镜阵列,微光学器件,生物医学,2019/5/26,哈尔滨工业大学 运动控制实验,启示,1、它山之石可以攻玉，学科交叉成为解决问题的 重要途径。 2、电子器件的发展趋势是小型化、多功能化。 3、我国电子器件研发和生产仍十分薄弱。 4、三维运动控制仍需要更多的努力。 5、由被动到主动的营销策略,

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