台州学院学生科研项目申报表.docx
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台州学院学生科研项目申报表
附件5：
申请编号：
项目编号：
台州学院学生科研项目申报表
项目名称：
两轮直立自平衡小车
项目负责人：
张强
负责人类别：
√本科生□专科生
所在学院：
物理与电子信息工程学院
填报时间：
2013年3月
项目类别：
□A经济、管理、教育类
□B法学、文学、体育、艺术及其他文科类
√C电子信息类
□D生物医学类
□E其他理工类
台州学院学生科研项目管理委员会办公室制
填报说明
1.本表适用于向台州学院学生科研项目管理委员会申报的各类科研计划项目；
2.填表前，请先仔细阅读《台州学院学生科研项目管理办法（试行）》；
3.项目申请一旦被批准立项，将作为项目计划任务书考核，成为项目中期检查、结题等管理活动的依据文件；
4.要如实、准确、认真填写申请表的各项内容；
5.本申请表一式二份，由指导教师签署可行性意见、学院签署审核意见后，报送台州学院学生科研项目管理委员会办公室审查；
6.申请编号、项目编号由学生科研项目管理委员会统一编排；
7.项目组成员一般不多于6人，指导教师一般不多于2人
一、基本情况
项目名称
两轮直立自平衡小车
负责人姓名
张强
性别
男
民族
汉
出生日期
1992年3月6日
学院
物电学院
年级
11级
专业
电子信息工程
通讯地址
浙江省台州市椒江区市府大道1139号
联系电话
551025
指导教师
姓名
性别
所属学院
职称
研究专长
王韬
男
物电学院
讲师
电子应用
主
要
参
加
者
姓名
性别
学院
年级
专业
项目分工
联系电话
张强
男
物电学院
11年级
电子信息
程序编程
551025
鲍杰
男
物电学院
11年级
电子信息
电路设计
551073
应胜斌
男
物电学院
12年级
电气自动
程序编程
680771
预期成果
A.专著B.论文（集）√C.研究报告D.工具书E.科技发明F.电脑软件G.其他
预计完成时间
2014年3月20日（研究期限一般为一年）
二、项目设计论证
研究目的、意义与预期目标：
目的、意义：
随着科学技术水平的不断进步，交通工具正朝着小型、节能、环保的方向发展，“电动车”正是在这个背景下孕育而生并为人们所熟识。
据不完全统计，我国的电动车保有量已超过1.2亿辆，是增长速度最快的交通工具，随着石油储量的不断减少和人们环保意识的增强，“电动车”无疑将成为未来交通工具的主力军。
就目前而言，电动车的种类主要有电动自行车、电动摩托车和电动汽车，由于电动机制造水平的提高，尤其是大功率直流无刷电动机制造工艺的成熟，带动了电动自行车和电动摩托车行业的飞速发展。
同时，人们也设计出了一些新式电动车，两轮自平衡电动车是一种新型的交通工具，它一改电动自行车和摩托车车轮前后排列方式，而是采用两轮并排固定的方式，这种结构将给人们带来一种全新的驾驭感受。
两轮自平衡电动车仅靠两个轮子支撑车体，采用蓄电池提供动力，由电动机驱动，采用微处理器、姿态感知系统、控制算法及车体机械装置共同协调控制车体的平衡，仅靠人体重心的改变便可以实现车辆的启动、加速、减速、停止等动作。
两轮自平衡电动车在设计上主要有以下几个特点：
1．绿色环保。
电动车使用电池作为动力能源，并可以反复充电使用，大大减少了对环境的污染。
2．转弯半径为零，在小空间范围内可以灵活运动；3．无刹车系统，由CPU自动给出正反转力矩，从而达到快速稳定的刹车效果；4．控制极其方便，前进后退自如。
预期目标：
采用飞思卡尔32位嵌入式微控制器，用MMa7361和enc-03mb
搭配电机实现平衡直立。
行驶轨迹通过算法控制能够实现平滑，顺利，平稳，且速度够大。
如果可以，能将此方案实现民用设备。
国内外研究现状：
1997年，美国Washington大学的GlenH.Jorgensen等人提出了设计一种新型智能轮式座椅的构想，利用倒立摆的结构形式，建立了可以通过不规则地形的两轮同轴机构模型，通过仿真验证了设计的合理性。
2002年，法国Valenciennes大学的H.Tirmant、M.Baloh等人将两轮机器人的概念应用到城市自主出租汽车B2中，提出了两种可供选择的控制方法：
一种是标准的线性控制法，在动态平衡点，通过使电机输出最小的力矩保持机器人的动态平衡，但是忽略一些干扰等非线性因素；另一种是平行分布补偿法，引入了T-S模糊模型，建模时考虑了一些非线性因素，能够给出精确的非线性表示，虽然平衡效果比较好，但是牺牲了实时性，如果模糊控制稳定性评价标准增加，控制规则将呈几何级数增加美国kgo公司的SteveHassenplug两轮自平衡传感式机器人Lcgway。
这个设计引入了电机的差动驱动方式，它可以工作在倾斜面，甚至不规则表面上，可遥控操作。
通过对电动机进行遥控，Legway可以在前行，后退和转弯时保持平衡，可以实现零半径转弯和u型回转忆
2002年，美国Segway公司开发了世界上第一部能够自平衡的两轮电动车，时速高达20km／h。
该电动车把人们从传统的“三点平衡”和以低重心、大而稳的底盘设计来避免倾斜的束缚中解脱出来．通过检测车体的角度和角速度，用适当的回复转矩来避免倾斜摔倒。
Segway使用的是航空级陀螺仪、一组倾斜传感器、一套复杂的“直觉软件”、一个加速度计、十个微处理器、两个镍氢电池组、一台电动机和每秒检测一百多次驾驶者重心的传感器。
Scgway共有五个陀螺仪传感器，其中三个来检测前、后和左右方向的倾斜，另外两个传感器作为冗余，以增加安全性。
传感器收集的信息被传送到主控芯片，它由两个电子控制器电路板构成。
电路板包括一个微处理器的集群（德州仪器的DSP芯片）。
这种集群的运算效率是普通PC的三倍，以保证车身能得到及时而高度精确的微调来防止倾倒。
如果一个电路板出了毛病，另一个会立即接管所有的功能，以便让驾驶者能够安全地停下。
在最高层次，主控芯片运行“直觉软件”控制Segway，软件会实时分析所有信息，调整电动机的速度。
本项目研究的创新点：
颠覆传统代步工具概念。
采用32位嵌入式微控制器，
系统要求高灵敏度，高时时性，高稳定性。
多处传感器数据滤波及PID控制器，在互补滤波不行情况下考虑卡尔曼滤波。
因电机对整个数字系统影响，在pCB布线规则要仔细。
对于系统数据时时监控，学习MTLAB编写上位机，方便用于调试数据。
多路传感器数据融合，PID及滤波参数,，整个系统得以很好的协调及稳定工作的参数整定需要时间慢慢调试，以得到一个稳定的系统。
研究的重点、难点及研究技术路线（研究技术路线指研究思路、主要内容和进度安排等）：
主要研究内容：
1）传感器数据融台：
采用一种简易互补滤波算法，将加速度计和陀螺仪检测到的车体姿态信息进行数据融合，得到可靠的倾角及变化率信息；
2）电机控制算法研究：
对PID控制方法进行详细的研究和介绍，把变积分PD控制方法应用在自平衡车系统中，并检验控制方法的有效性。
3）惯性传感器的应用：
对系统中用到的惯性元件（陀螺仪和加速度计）及其使用方法进行详细的介绍和研究；
4）电机驱动器和系统控制器设计：
设计制作出适合单轴双轮自平衡小车的无刷电机驱动器，设计制作系统控制器用以控制传感器检测车体姿态，通过状态反馈控制，PID控制等算法，驱动无刷电机使代步车实现动态自平衡；
5）系统软件设计与实验研究：
编制适合自平衡系统的控制软件，通过单轴双轮自平衡代步车样机实际测试，检验相应算法的有效性，不断改进算法。
本设计总体思路：
1，利用ad采集重力加速度传感器MMA7361和陀螺仪ENC_03MB的数据，
采用互补滤波对其进行数据融合，获得倾角，然后pid控制后才生的量去改变pwm占空比去控制电机。
2，电机驱动采用了bts7970四片半桥集成驱动芯片组成全桥来驱动电机。
利用电机的加速阶段，产生的加速度，变成回复力，是小车恢复平衡。
3使用PID闭环控制算法控制小车速度。
线性叠加在直立控制上。
。
4仔细调整系统参数，使下车能够平稳的匀速行驶。
5，在直立控制和速度控制基础上，线性叠加上方向控制。
利用电机的差速实现转向。
进度安排：
1．第一阶段（2010年3月25日到2010年4月25日）：
总体的构想，对所需知识的初步了解，以及讨论各功能模块的实现方法。
2．第二阶段（2010年4月26日到2010年8月26日）：
完成个模块的设计，包括硬件，软件等的原理设计。
3.第三阶段（2010年8月27日到2010年11月27日）：
综合考虑各组员的想法，确定最终方案。
分工完成，硬件，画电路原理图和PCB，软件程序等。
4.第四阶段（2010年11月28日到2011年2月19日）:
整体调试，记录测量数据，分析结果，并根据数据结果改善各部分，完善其功能。
5.第五阶段（2月20日到3月25日）：
整理结果，并书写报告。
三、完成项目的条件和保证
项目负责人和主要成员曾参与或组织完成过哪些项目，成果水平的社会评价；完成本项目的研究能力、时间保证和基础条件；资料设备；科研手段。
项目组成员参加的项目有，数字温度计，数字时钟，触摸延时开关、调频无线话筒，简易计数器等，做过大量的实践工作，熟练掌握了模电，数电，传感器，多种单片机，pcb制版等电子技术，平时课余时间大部分都在电子科技协会的实验室进行相关电路设计制作，在实验室里有给类常用电子元器件及仪器，能满足大部分电子方面的制作。
该项目我们首先设计论证，然后制作实物，并调试，发现错误再修改，重复这些过程直到最后完成。
四、项目经费预算
序号
经费开支科目
经费预算金额（元）
1
资料购置费
2
调研差旅费
3
分析测试上机费
4
印刷费
5
器件与制板费用
800
6
合计
800
五、指导教师意见
请对该项目的研究意义和可行性提供意见；本人是否愿意为指导该项目提供所需时间和条件。
项目具有较好的实用意义，能使我们获得更加方便的代步工具。
用材简单但实际效果很好，而且该方案可行性较高，本人愿意提供足够的时间和其它条件给予指导。
指导教师签名：
年月日
六、项目负责人所在学院审核意见
申请表所填写的内容是否属实；该项目负责人和参加者的政治业务素质是否适合承担本项目的研究工作；本学院能否提供完成本项目所需的时间和条件；本学院是否同意本项目的管理任务和信誉保证。
单位签章
分管领导签名：
年月日
七、台州学院学生科研项目管理委员会审查意见
项目立项意见及拟拨经费额度意见：
公章（团委代章）
年月日
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