毕业设计（论文）-自平衡两轮巡线小车系统设计.docx

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1、摘要I目录in1绪论1Li课题来源与背景11.2课题研究的目与意义11. 3与本课题相关的国内外研究现状31.3.1国外研究现状：32平衡小车系统的控制原理及分析2.1平衡小车控制系统的分析52. 3自平衡小车的受力分析72. 4自平衡小车运动微分方程的建立102. 5小车角速度和角速的测量122. 5. 1传感器介绍122.5.2速度控制133电路设计部分153. 1单片机部分153.2 电源部分163.3 传感电路163.4 电机驱动电路173. 5编码器电路183.6USB转串口电路193. 7显刁N器模块203. 8提示音模块203. 9超声波模块213 . 10蓝牙模块224机械部分

2、234 . 1行星齿轮的定义235 .2简单的行星齿轮机构的特点236 .3 2Z-X (A)型行星减速器的结构设计254. 4行星齿轮转动轴承结构设计364.5其他零部件的选择及设计校核425外壳部分466经济性分析49ContentsAbstract IContentsIH1 Introduction11.1 Projects Source and Background11.2 The purpose and significance of the research11.3 Current research status at home and abroad related to this

3、 topic31.4 Balanced car system control principle and analysis52.1 Analysis of Balanced Car Control System52.3Analysis of the force of self-balancing trolley75 Shell section466 Economic analysis49i绪论1绪论11ntroduction1. 1课题来源与背景(Projects Source and Background)当今世界，由于科技的发展，人类社会对于科技的要求也越来越高，更多大型企业为了增加效率，

4、节约成本，提高质量，越发重视对科技的研究与发展，在这种大趋势性，大环境下，智能车辆逐渐步入人类的视野，它已经在生产生活,军事，探测等各种领域遍地开花。人们也越发明白研究小车的必要性，世界上诸多国家，高校从上世纪开始，就开展了对智能车辆的研究机器人学中一个重要分支：可移动机器人，于世纪60年代问世。为了将人工智能的技术与智能车辆系统相结合，以适应更加复杂的环境，NilsNilsse和Charles Rosen从斯坦福研究所(SRI)和其他人在1966到1972年间研究出了一种新型的自主移动式小车，叫做Shakey。这中新型的机器人系统的诞生，有着自主推理，动态规划等全新的功能，给与了相应的机器人

5、领域极大的技术不充。从那时起，移动机器人的数量从零增长，而移动机器人的数量正变得越来越重要,成为移动机器人的重要分支智能汽车是一个综合系统，包括环境意识、规划和决策，以及自动驾驶，使用计算机、传感器、信息、通信、导航和控制白色运动的技术智能汽车有一个分支为轮式移动机器人，又以无人驾驶车辆所被人熟知。它主要依靠内部以计算机系统为核心的智能运算来完成个各种行驶功能，它能够对1绪论态规划，以及能够自己做出相应的控制并且执行该控制。它所涉及的知识广泛而复杂，是多种前端领域的集成体，可以通过对轮式机器人的设计成品来反应一个国家的科学研究和自身的工业实力达到到如何程度。它早已出现在各个工厂之中，比如AGV

6、小车，通控对无人搬运小车进行提前的控制，能够使其在无人的仓库中搬运货物，这样不仅节省了人力，而且极大的缩短了搬运货物所需要的时间，也减少了搬运过程中所出现的差错。它在科研领域的作用也引起了人类的重视，它能够步入到人类目前无法自身前往的地方，比如对深海，峡谷，深渊，外星球等人类还无法到达或者需要耗费大量的代价才能到达的地方，进行探测。科学家仅需通过对小车进行预先控制或者实时控制就能够通过小车传回的影视资料或带回来的物资进行研究，这样能够对在保证生命安全的环境下进行探测研究。它在军事领域的作用也逐渐放大，它能够在复杂的地区深入敌区进行探测,并且还能够与敌人作战，这样它不仅能够作为探测兵还是充当作战

7、人员，不仅能够极大的降低死亡率，而且能够通过与其他战争装备的协同作战，提高战争的胜率，它的功能会在军事领域中越来越重要，比如坦克在上个世纪中战争里面的作用。它也逐渐进入人们的生活领域，发达国家开始研究无人驾驶的汽车，它们能够把驾驶员给解放出来，通过云计算，可以对诸多无人驾驶汽车进行合力的空间分布控制，提高交通道路运输的效率，并且计算机的反应快于人类的反应，所以在面对一些突发状况时，其自身能够做出迅速的改变来减少无法想像的危害。小型的轮式机器人也能够用于人们的出行，比如现在风靡全球的平衡车，这样不仅简便易携带还能够让人们出行不耗费体力。相比于摩托车汽车等，还能节约资源,减少浪费，对环境起到一个很

8、好的保护作用。它也越来越多的用于抢险救灾领域，在发生自然或人为灾害的区域里，面对这未知而去抢险救灾的话，这样会造成大量的人员伤亡，如果实现先用小车去探测，就能够有效的减少伤亡率。并且在救援人员无法到达的地方，受害者又需及时救助的环境下，轮式机器人就起到极大的救援效果，它能够穿过狭小的空间到达受害者面前进行救助，这样能减少灾害地区受灾人员的伤亡。因而，对于轮式机器人的研究已经引起了各国人员的重视，每年的发明专利都以万计。31绪论1. 3与本课题相关的国内外研究现状（Cuirent research status athome and abroad related to this topic)1.

9、3.1 国外研究现状:早在上个世纪七十年代开始，欧美等发达国家就展开了对轮式机器人的研究,相关技术也取得了极大的成功，使其变得可生产，可以使用。上个世纪九十年代，英国展开了一轮新的无人驾驶车辆的研究计划，由英国的先进交通系统公司和布里斯托尔大学联合研发出来的能够自动行驶抵达目的的优尔特拉无人车辆吸引了大批伦敦民众。该车性能非常的强大，行驶过程与事先安排的计划相符合，而且几乎没有发出噪声。并且这种车辆已经于二零一零年在希思罗机场作为运输乘客的出租车大量投入，该车没有驾驶员与驾驶室，该车的动力源为电池系统，周边有触摸式的终端让乘客能够通过触摸点击来选择索要到达的地带你。在二零零五年间，谷歌工程师塞

10、巴斯蒂安-特龙与其团队在由美国DARPA举办的第二届“挑战”中凭借研究出来的能够在沙漠中行驶超过212. 43公里的斯坦利机器人汽车获得了冠军。随后几年，谷歌公司研究出来的无人驾驶车辆已经累计行驶超过了 20万英里，搭载在谷歌无人驾驶车辆上的摄像机，雷达传感器和激光测量原件能够探测到周边环境，通过预先制定的地图进行智能导航。但是谷歌公司也面临这难以解决的问题，即在有人驾驶的汽车与无人驾驶的汽车共同在相同区域内行驶，如何才能保证两者间安全共处，不发生交通意外。在二零一二年五月二十八日的CODE CONFERENCE科技大会上，谷歌公司又推出了自己研究出来的黑科技，即舍去方向盘和刹车的无人驾驶汽车

11、。即便该车辆还是处于概念阶段，但是它给大众展现出了完全不同的的研究思想。让人们对什么是无人驾驶车辆的概念了解得越发深刻。并且在二零一四年，谷歌的首款无人驾驶概念车研发制造完毕，但是由于当地政府规定驾驶者能够在乘坐途中能够掌握无人车的控制权，所以该车又重新安装上了方向盘和刹车。在二零一五年二月由美国研发出的一款用于帮助人们出行购，购物等用于短距离行驶的无人驾驶车辆在格林威治展出。该车名为LUTZ PATHFINDERo它之间，车与交通网络之间能够互相传递数据，能够有效的减少交通事故的发生,极大减轻道路拥堵状况。德国公司IBEO把先进的激光传感技术搭载到由普通轿车改装而成的无人驾驶汽车上，通过搭载

12、在汽车上的激光摄像机，智能终端与全球定位系统获得汽车自身准确的位置与该车周边的环境状况，使得该车能够在复杂的交通道路中无人驾驶。它不仅能够在前方出现突发状况时即使刹车，也能在路面畅通的环境下进行速度的调节，还能够通过算法绕过障碍物。目前，美国的谷歌公司已经在加利福利亚州通过立法获得里无人驾驶车辆行驶的权利，使其能够接送自己公司人员的上下班。并且在美国其他地方，无人车辆的使用也逐渐通过了该州的立法权。1.3.2 国内研究情况:上个世纪八十年代，由贺汉根教授团队开始对无人车辆进行研发。到了二零零一年成功完成了一款能够让时速达到76公里的无人车的研发。在二零零三年,更是让无人车的最高时速达到170公

13、里。为了在可靠性和轻巧性方面取得突破,一款新型的无人驾驶车辆红旗HQ3在二零零六年问世，它的问世使得中国自主研发的无人车在复杂状况环境下行驶的记录取得了突破性的成功，标志着中国自主研发的无人车能够与世界其他发达国家研发的无人车辆技术相比肩。到了二零一一年，HQ3无人汽车首次完成了在无人驾驶的条件下，经历着包含大雾和降雨的复杂天气环境中，安全从长沙高速行驶到了武汉，标志着中国无人车在对周边环境的识别能力上和应对突发状况的智能决策上取得新的实质性的突破。上个世纪九十年代，清华大学就对无人驾驶车辆领域展开了研究。该校的无人驾驶试验平台成功研制出了一款名为THMR的无人车。二零零三年，由清华大学成功研

14、制出了能够清晰识别交通道路车道线并且能完成巡线行驶，最高车速能够达到100公里每小时的THMR-V型无人驾驶车辆。在二零零八年，清华大学组成了由李德毅院士带领的智能车研发团队，在图像处理，导航定位，软件智能运算方面相继获得成功，使得无人驾驶实验能够在多条开放性的道路上测试。百度公司已经把感官系统中的视觉与听觉等识别技术运用到了无人智能车辆的研发当中。并且在二零一八年四月二十日，百度将为美团提供无人送餐车,用于雄安地区的无人送餐。该变传统的送餐行业，提高送餐的安全性，能够更好的分配人员资本，极大的减少资源的浪费。2平衡小车系统的控制原理及分析15ff也控制电长2平衡小车系统的控制原理及分析2 Balanced car system control principle and analysis3 . 1平衡小车控制系统的分析(Analysis of Balanced Car ControlSystem)根据毕设要求以及小车平衡系统所需的要求，为了让小车保持稳定且平衡的状态，需要在没有外力干扰的情况下，通过控制连接在小车的两个车轮的两个直流减速电机的转速来控制小车车轮