倒立摆理论在直立自平衡智能车系统中的应用
０ 引言
近年来，国内外有很多关于两轮自平衡直立电动车的研究，甚至已经生产出相应的代步产品。随着现代科技的发展，对于自平衡的响应速度和精确度提出了更高的要求。“两轮自平衡直立车”的制作，其核心技术就是自平衡系统的开发。直立车模可以简化成倒立的单摆模型。通过传感器获得角速度和角加速度的值，运用PID 控制算法实现对其的控制。
１ 理论分析
１．１ 倒立摆理论模型分析
首先，直立智能车若只直立在原地可以简化成一级倒立摆模型，我们可以从单摆入手，对单摆受力分析如图１所示。
（１）根据受力分析，当单摆受外力拉离平衡位置时，会受到mg sin 作用使单摆能够回复到平衡位置，而空气中的阻尼力与mg sin 的合力驱使单摆稳定
倒立摆理论在直立自平衡智能车系统中的应用
赵韶华 黄金明 刘 鹏 吕成敏（曲阜师范大学电气信息与自动化学院）
摘 要：两轮自平衡智能车要求车模两轮驱动实现其直立行走。直立车的硬件设计和软件设计与四轮车相比更加复杂，在“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛中，直立车故障多，近一半的参赛队伍完不成比赛。直立自平衡智能车主要简化为倒立摆模型，把倒立摆理论引入并通过PID 控制，能得到良好的控制效果。
关键词：倒立摆，自平衡，直立行走，智能车。
Application of Inverted Pendulum Theory in the Upright and Self-balancing
Intelligent Vehicle System
Zhao Shaohua Huang Jinming Liu Peng Lv Chengmin
(Institute of Electrical Information and Automation, Qufu Normal University)
Abstract:
The self-balancing intelligent vehicle with two wheels requires the vehicle model to walk upright under the two-wheel-drive. The hardware and software design of upright vehicle is much more complicated than that of four-wheeled vehicle. In "Freescale" Cup National Undergraduate Smart Car Competition the upright vehicles had more failure, and nearly half of the teams failed to complete the task. The authors propose to simplify the upright and self-balancing intelligence vehicle to an inverted pendulum model, and introduce inverted pendulum theory and adopts PID control, which obtains a good control effect.
Key words: inverted pendulum; self-balancing; walk upright; intelligent vehicle
在平衡位置，合力越大，单摆稳定得越快，所受干扰的影响也就越小。
直立的车模可以看成是倒放在可以移动的车轮上的单摆，由于车轮与车体存在相对加速度，因此在非惯性系下分析车模的受力情况，对倒立摆模型受力分析如图2所示。
车模除了受重力的分力mg sin 外，还受额外的惯性力-ma cos 和空气的阻力，因此倒立摆所受的恢复力（此处不计空气阻力）为：
（２）
图１ 单摆受力分析 图２ 倒立摆受力分析
由于 较小，因此可以进行线性化。
为使倒立摆能够稳定下来，而且由于空气的相对阻尼力较小，还应对系统施加额外的阻尼力，因此式（２）可变为：
（３）
因此车轮的加速度为
（４） 式中 为车模倾角， ＇为车模的角速度，
k
1
、k 2
为比例系数。
１．２ 直立车系统稳定性分析
对直立车模进行数学建模，依据自动控制理论分析车模通过闭环控制保持稳定的条件。
将直立车模简化为放置在可以左右移动的车轮上的简单倒立摆。假设外力干扰引起车模产生角加速度x (t )。沿着垂直于车模地盘方向进行受力分析。
图３ 小车运动模型受力分析
由图３推导出车模倾角与车轮运动加速度a (t )以及外力干扰加速度x (t )之间的运动方程
（5）在角度 很小时，sin = ，cos = 1，运动方程简化为：
（6）车模静止时，a (t )=0
（7）对应车模静止时，系统的输入输出的传递函数为：
（8
）
此时系统具有两个极点 。一个极点位于S 平面的右半平面，车模不稳定。因此引入比例、微分反馈控制。
系统的传递函数为：
（9）此时系统的两个极点位于：
（10）由式（10）可以看出，当k 1 g ，k 2 0时，满足系统稳定的条件，此时直立车模可以稳定。
２ 直立智能车系统设计２．１ 硬件电路设计
在上面介绍了车模直立控制数学模型，车模倾角以及倾角速度的测量成为控制车模直立的关键。车模倾角和倾角速度的测量可以分别通过加速度传感器和陀螺仪实现。
２．１．１ 三轴加速度计
三轴加速度计可以测量智能车倾角的加速度。直立车模所采用的是加速度传感器MMA7361。该传感器体积小、质量轻、测量精度高、抗干扰能力
强、性价比高，MMA7361可以同时输出3个方向上的加速度模拟信号。
２．１．２ 陀螺仪
我们选用了村田公司出品的ENC-03系列的陀螺仪，陀螺仪可以测量智能车倾角的角速度。但是此款陀螺仪有一点缺陷是温飘过大，需要我们在软件中进行补偿。
２．２ 系统软件设计
通过三轴加速度计和陀螺仪模块分别检测车模的角度和角速度，这似乎只需要加速度计就可以获得车模的倾角，再对此信号进行微分便可以获得倾角速度，但在实际车模运行过程中，由于车模本身的震动和摆动等因素所产生的加速度会产生很大的干扰信号，它叠加在测量的加速度信号上使得输出的信号无法准确反映车模的角度，这些噪声可以通过数据平滑滤波将其滤除，但是平滑滤波一方面会
使信号无法实时反映车模倾角变化，减缓对车模车轮的控制，另一方面也会将车模角速度变化信息滤掉，上述两方面的滤波效果都使得车模无法保持直立。
角速度传感器陀螺仪输出的车模角速度受到车体振动的影响小，因此车模的角度可通过对角速度积分得到。但如果角速度信号存在微小的偏差和漂移，经过积分运算之后形成累积误差，这个误差会随着时间延长逐步增加，最终导致电路饱和，使角度信号存在偏差。为消除角速度积分产生的累积误差，利用加速度计获得的角度信息对此进行校正，使积分的角度逐步跟踪到车模运行的真实角度。如下图４所示为车模直立控制算法框图。
图４ 车模直立控制算法框图
最后，采用PD 算法控制车模直立。其公式为nSpeed = CarAngle*P+CarGyro*D （11）式中nSpeed 为车模速度输出值，CarAngle 为车模角度，CarGyro 为车模角速度，P 为比例参数，D 为微分参数。
３ 结语
两轮智能车控制系统是一种典型实时精确控制、且自身不稳定的随动控制系统。本文详细介绍了两轮自平衡小车的直立控制原理及设计，包括加速度传感器使用电路及方法、通过角度传感器的反馈量实现小车的平衡控制方法；加速度计和陀螺仪等传感器的选取；硬件电路的设计方法、软件算法的主要控制程序等，可靠稳定地使小车达到2.2m/s 。
参考文献：
［１］ 王晓宇．两轮自平衡机器人的研究［Ｄ］． 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007:2-4．
［２］ 邵贝贝．单片机嵌入式应用的在线开发方法［Ｍ］． 北京：清华大学出版社，2007．
［３］ 卓晴，黄开胜，邵贝贝．学做智能车－挑战“飞思 卡尔”杯［Ｍ］．北京：北京航空航天出版社，2007．［４］ 胡寿松．自动控制原理［Ｍ］．北京：科学出版社， 2007:110-115．
作者简介：
黄金明：男，硕士，曲阜师范大学电气信息与自动化学院，副教授
赵韶华（１９８９－），男，在读研究生，曲阜师范大学电气信息与自动化学院
电子信箱：1058940120@https://www.360docs.net/doc/e915964557.html,
倒立摆理论在直立自平衡智能车系统中的应用
作者：赵韶华， 黄金明， 刘鹏， 吕成敏， Zhao Shaohua， Huang Jinming， Liu Peng， Lv Chengmin 作者单位：曲阜师范大学电气信息与自动化学院
刊名：
电子技术
英文刊名：Electronic Technology
年，卷(期)：2014(2)
本文链接：https://www.360docs.net/doc/e915964557.html,/Periodical_dzjs201402013.aspx
《人工智能原理及其应用》(王万森)第3版课后习题答案
第1章人工智能概述课后题答案 1.1什么是智能?智能包含哪几种能力？ 解：智能主要是指人类的自然智能。一般认为，智能是是一种认识客观事物和运用知识解决问题的综合能力。 智能包含感知能力，记忆与思维能力，学习和自适应能力，行为能力 1.2人类有哪几种思维方式?各有什么特点？ 解：人类思维方式有形象思维、抽象思维和灵感思维 形象思维也称直感思维，是一种基于形象概念，根据感性形象认识材料，对客观对象进行处理的一种思维方式。 抽象思维也称逻辑思维，是一种基于抽象概念，根据逻辑规则对信息或知识进行处理的理性思维形式。 灵感思维也称顿悟思维，是一种显意识与潜意识相互作用的思维方式。 1.3什么是人工智能?它的研究目标是什么？ 解：从能力的角度讲，人工智能是指用人工的方法在机器（计算机）上实现智能；从学科的角度看，人工智能是一门研究如何构造智能机器或智能系统，使它能模拟、延伸和扩展人类智能的学科。 研究目标： 对智能行为有效解释的理论分析； 解释人类智能； 构造具有智能的人工产品； 1.4什么是图灵实验？图灵实验说明了什么？ 解：图灵实验可描述如下，该实验的参加者由一位测试主持人和两个被测试对象组成。其中，两个被测试对象中一个是人，另一个是机器。测试规则为：测试主持人和每个被测试对象分别位于彼此不能看见的房间中，相互之间只能通过计算机终端进行会话。测试开始后，由测试主持人向被测试对象提出各种具有智能性的问题，但不能询问测试者的物理特征。被测试对象在回答问题时,都应尽量使测试者相信自己是“人”，而另一位是”机器”。在这个前提下，要求测试主持人区分这两个被测试对象中哪个是人，哪个是机器。如果无论如何更换测试主持人和被测试对象的人，测试主持人总能分辨出人和机器的概率都小于50%，则认为该机器具有了智能。 1.5人工智能的发展经历了哪几个阶段？ 解：孕育期，形成期，知识应用期，从学派分立走向综合，智能科学技术学科的兴起
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基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计 摘要 两轮自平衡车是一种高度不稳定的两轮机器人，就像传统的倒立摆一样，本质不稳定是两轮小车的特性，必须施加有效的控制手段才能使其稳定。本文提出了一种两轮自平衡小车的设计方案，采用重力加速度陀螺仪传感器MPU-6050检测小车姿态，使用互补滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合。系统选用STC 公司的8位单片机STC12C5A60S2为主控制器，根据从传感器中获取的数据，经过PID算法处理后，输出控制信号至电机驱动芯片TB6612FNG，以控制小车的两个电机，来使小车保持平衡状态。 整个系统制作完成后，小车可以在无人干预的条件下实现自主平衡，并且在引入适量干扰的情况下小车能够自主调整并迅速恢复至稳定状态。通过蓝牙，还可以控制小车前进，后退，左右转。 关键词：两轮自平衡小车加速度计陀螺仪数据融合滤波 PID算法 Design of Control System of Two-Wheel Self-Balance Vehicle based on Microcontroller Abstract Two-wheel self-balance vehicle is a kind of highly unstable two-wheel robot. The characteristic of two-wheel vehicle is the nature of the instability as traditional inverted pendulum, and effective control must be exerted if we need to make it stable. This paper presents a design scheme of two-wheel self-balance vehicle. We need using gravity accelerometer
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燕山大学 课程设计说明书题目：双轮自平衡小车机器人系统设计与制作 学院（系）：机械工程学院 年级专业：12级机械电子工程 组号：3 学生： 指导教师：史艳国建涛艳文史小华庆玲 唐艳华富娟晓飞正操胡浩波 日期： 2015.11
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前言 移动机器人是机器人学的一个重要分支，对于移动机器人的研究，包括轮式、腿式、履带式以及水下式机器人等，可以追溯到20世纪60年代。移动机器人得到快速发展有两方面原因：一是其应用围越来越广泛；二是相关领域如计算、传感、控制及执行等技术的快速发展。移动机器人尚有不少技术问题有待解决，因此近几年对移动机器人的研究相当活跃。 近年来，随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，所面临的环境和任务也越来越复杂。机器人经常会遇到一些比较狭窄，而且有很多大转角的工作场合，如何在这样比较复杂的环境中灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。双轮自平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的。两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器人，是一种多变量、非线性、强耦合的系统，是检验各种控制方法的典型装置。同时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。因为它既有理论研究意义又有实用价值，所以两轮自平衡小车的研究在最近十年引起了大量机器人技术实验室的广泛关注。 本论文主要叙述了基于stm32控制的两轮自平衡小车的设计与实现的整个过程。主要容为两轮自平衡小车的平衡原理，直立控制，速度控制，转向控制及系统定位算法的设计。通过此设计使小车具备一定的自平衡能力、负载承载能力、速度调节能力和无线通讯功能。小车能够自动检测自身机械系统的倾角并完成姿态的调整，并在加载一定重量的重物时能够快速做出调整并保证自身系统的自我平衡。能够以不同运动速度实现双轮车系统的前进、后退、左转与右转等动作，同时也能够实现双轮自平衡车系统的无线远程控制操作
人工智能原理及其应用(第二版)习题答案
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知识表示方法部分参考答案 2.8设有如下语句，请用相应的谓词公式分别把他们表示出来： (1)有的人喜欢梅花，有的人喜欢菊花，有的人既喜欢梅花又喜欢菊花。 解：定义谓词 P(x)：x是人 L(x,y)：x喜欢y 其中，y的个体域是{梅花，菊花}。 将知识用谓词表示为： (?x )(P(x)∧(L(x, 梅花)∨L(x, 菊花)∨L(x, 梅花)∧L(x, 菊花))) (2) 有人每天下午都去打篮球。 解：定义谓词 P(x)：x是人 B(x)：x打篮球 A(y)：y是下午 将知识用谓词表示为： (?x )(?y) (A(y)∧B(x)∧P(x)) (3)新型计算机速度又快，存储容量又大。 解：定义谓词 NC(x)：x是新型计算机 F(x)：x速度快 B(x)：x容量大 将知识用谓词表示为： (?x) (NC(x)→F(x)∧B(x)) (4) 不是每个计算机系的学生都喜欢在计算机上编程序。 解：定义谓词 S(x)：x是计算机系学生 L(x, pragramming)：x喜欢编程序 U(x,computer)：x使用计算机 将知识用谓词表示为： ?(?x) (S(x)→L(x, pragramming)∧U(x,computer)) (5)凡是喜欢编程序的人都喜欢计算机。 解：定义谓词 P(x)：x是人 L(x, y)：x喜欢y 将知识用谓词表示为： (?x) (P(x)∧L(x,pragramming)→L(x, computer))
2.9用谓词表示法求解机器人摞积木问题。设机器人有一只机械手，要处理的世界有一张桌子，桌上可堆放若干相同的方积木块。机械手有4个操作积木的典型动作：从桌上拣起一块积木；将手中的积木放到桌之上；在积木上再摞上一块积木；从积木上面拣起一块积木。积木世界的布局如下图所示。 图机器人摞积木问题 解：(1) 先定义描述状态的谓词 CLEAR(x)：积木x上面是空的。 ON(x, y)：积木x在积木y的上面。 ONTABLE(x)：积木x在桌子上。 HOLDING(x)：机械手抓住x。 HANDEMPTY：机械手是空的。 其中，x和y的个体域都是{A, B, C}。 问题的初始状态是： ONTABLE(A) ONTABLE(B) ON(C, A) CLEAR(B) CLEAR(C) HANDEMPTY 问题的目标状态是： ONTABLE(C) ON(B, C) ON(A, B) CLEAR(A) HANDEMPTY (2) 再定义描述操作的谓词 在本问题中，机械手的操作需要定义以下4个谓词： Pickup(x)：从桌面上拣起一块积木x。 Putdown(x)：将手中的积木放到桌面上。 Stack(x, y)：在积木x上面再摞上一块积木y。 Upstack(x, y)：从积木x上面拣起一块积木y。 其中，每一个操作都可分为条件和动作两部分，具体描述如下： Pickup(x)
人工智能原理与应用_(张仰森_著)_高等教育出版社_课后答案
2.7解：根据谓词知识表示的步骤求解问题如下： 解法一： (1)本问题涉及的常量定义为： 猴子：Monkey，箱子：Box，香蕉：Banana，位置：a，b，c (2)定义谓词如下： SITE(x，y)：表示x在y处； HANG(x，y)：表示x悬挂在y处； ON(x，y)：表示x站在y上； HOLDS(y，w)：表示y手里拿着w。 (3)根据问题的描述将问题的初始状态和目标状态分别用谓词公式表示如下： 问题的初始状态表示： SITE(Monkey，a)∧HANG(Banana，b)∧SITE(Box，c)∧~ON(Monkey，Box)∧~HOLDS(Monkey，Banana) 问题的目标状态表示： SITE(Monkey，b)∧~HANG(Banana，b)∧SITE(Box，b) ∧ON(Monkey，Box)∧HOLDS(Monkey，Banana) 解法二： (1)本问题涉及的常量定义为： 猴子：Monkey，箱子：Box，香蕉：Banana，位置：a，b，c (2)定义谓词如下： SITE(x，y)：表示x在y处； ONBOX(x)：表示x站在箱子顶上； HOLDS(x)：表示x摘到了香蕉。 (3)根据问题的描述将问题的初始状态和目标状态分别用谓词公式表示如下： 问题的初始状态表示： SITE(Monkey，a)∧SITE(Box，c)∧~ONBOX(Monkey)∧~HOLDS(Monkey) 问题的目标状态表示： SITE(Box，b)∧SITE(Monkey，b)∧ONBOX(Monkey)∧HOLDS(Monkey) 从上述两种解法可以看出，只要谓词定义不同，问题的初始状态和目标状态就不同。所以，对于同样的知识，不同的人的表示结果可能不同。 2.8解：本问题的关键就是制定一组操作，将初始状态转换为目标状态。为了用谓词公式表示操作，可将操作分为条件(为完成相应操作所必须具备的条件)和动作两部分。条件易于用谓词公式表示，而动作则可通过执行该动作前后的状态变化表示出来，即由于动作的执行，当前状态中删去了某些谓词公式而又增加一些谓词公式从而得到了新的状态，通过这种不同状态中谓词公式的增、减来描述动作。 定义四个操作的谓词如下，操作的条件和动作可用谓词公式的增、删表示： (1)goto 中北大学 课程设计说明书 学生姓名: *杰学号：* 学院: 仪器与电子学院 专业: * 题目: 基于ARM的两轮自平衡车模型系统设计 指导教师：李锦明职称: 副教授 2015 年1 月30 日 摘要 近年来，两轮自平衡车的研究与应用获得了迅猛发展。本文提出了一种两轮自平衡小车的设计方案，采用陀螺仪L3G4200以及MEMS加速度传感器MMA7260构成小车姿态检测装置，使用卡尔曼滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合。系统选用飞思卡尔32位单片机Kinetis K60为控制核心，通过滤波算法实现车身控制，人机交互等。 整个系统制作完成后，各个模块能够正常并协调工作，小车可以在无人干预条件下实现自主平衡。同时在引入适量干扰情况下小车能够自主调整并迅速恢复稳定状态。 关键词：两轮自平衡陀螺仪姿态检测卡尔曼滤波数据融合 目录 1 课程设计目的 (1) 2 设计内容和要求 (1) 2.1 设计要求 (1) 2.2 研究意义 (1) 2.3 研究内容 (2) 3 设计方案及实现情况 (2) 3.1 两轮平衡车的平衡原理 (2) 3.2 系统方案设计 (3) 3.3 系统最终方案 (6) 3.4 系统软件设计 (9) 3.5 电路调试 (16) 4 课程设计总结 (18) 参考文献 (19) 附录 (20) 致谢 (21) 1 课程设计目的 （1）掌握嵌入式系统的一般设计方法和设计流程； （2）学习嵌入式系统设计，掌握相关IDE开发环境的使用方法； （3）掌握ARM的应用； （4）学习掌握嵌入式系设计的全过程； 2 设计内容和要求 2.1 设计要求 （1）学习掌握基于ARM Cortex-M4内核的Kinetis K60系列单片机的工作原理及应用；（2）学习掌握加速度计、陀螺仪的工作原理及应用； （3）设计基于PID控制的两轮自平衡车模型系统的工作原理图及PCB版图； 2.2 研究意义 近年来，随着电子技术的发展与进步，移动机器人的研究不断深入，成为目前科 学研究最活跃的领域之一，移动机器人的应用范围越来越广泛，面临的环境和任务也 越来越复杂，这就要求移动机器人必须能够适应一些复杂的环境和任务。比如，户外 移动机器人需要在凹凸不平的地面上行走，有时环境中能够允许机器人运行的地方比 较狭窄等。如何解决机器人在这些环境中运行的问题，逐渐成为研究者关心的问题[1]。 两轮自平衡机器人的概念正是在这样一个背景下提出来的，这种机器人区别于其 他移动机器人的最显著的特点是：采用了两轮共轴、各自独立驱动的工作方式(这种驱 动方式又被称为差分式驱动方式)，车身的重心位于车轮轴的上方，通过轮子的前后移 动来保持车身的平衡，并且还能够在直立平衡的情况下行驶。由于特殊的结构，其适 应地形变化能力强，运动灵活，可以胜任一些复杂环境里的工作。 两轮自平衡机器人自面世以来，一直受到世界各国机器人爱好者和研究者的关 注，这不仅是因为两轮自平衡机器人具有独特的外形和结构，更重要的是因为其自身 的本质不稳定性和非线性使它成为很好的验证控制理论和控制方法的平台，具有很高 的研究价值。 读书报告：平衡车的原理及功能实现方法 载人平衡车是一种靠电能提供能源，能够载人直立平衡行走的交通工具。随着社会的发展，公共交通的拥堵也成为普片现象，越来越受到人们的关注。载人平衡车由于其体积小巧轻便，适用能力强，能够有效缓解交通压力。 两轮自平衡车是当今机器人研究领域的一个重要分支,它涵盖了电子、机械、自动控制与信号处理等多个学科。其结构类似于倒立摆,具有非线性、强耦合的特性。由电源、电动机构成其原动机模块；由机构件轮、轴构成其机械传动机模块；由控制芯片、陀螺仪构成其信息机模块。 平衡车模块简图 一．原动机模块 2个直流电动机安装在车体平台下面，驱动电机的H桥由4个N沟道功率MOS管AUIRFB4410组成[5j。采用IR公司的IR2184作为MOS的栅极驱动器,IR2184是一种双通道、高速高压型功率开关器件，具有自举浮动电源。在自举上作模式下，对自举电容和自举_极管的要求都较高。自举电容的耐压值仅为VCC的电压，但其容量由下列因素决定:驱动器电路的静态电流、电平转换器电流、MOSFET的栅源正向漏电流、MOSFET的栅极电容的大小、自举电容的漏电流的大小、以及上作的频率。 为了减少自举电容的漏电流，应尽量采用非电解电容，本系统中采用陶瓷电容。自举_极管必须能够承受干线上电压的反压，当开关频率较低时，要求电容保持电荷较民时间，一极管的高温反向漏电流尽量小。同样为了减少自举电容反馈进电源的电荷数量，_极管应选用超快恢复_极管。在本系统中自举_极管采用了快恢复一极管FR307，自举电容采用1 uF的陶瓷电容，完全满足本系统的需要。驱动电路中在栅极也串联了一个10 S2的小电阻，虽然这个电阻会影响一定的MOS开启速度，但可以减少栅极出现的振铃现象，减少EMI;为了加快MOS 管的关断速度，在设计电机驱动电路时在栅极电阻上反向并联了一个_极管;另外在栅极对地接了一个lOK的下拉电阻，这个电阻可以防比MOSFET被击穿;最后在电机的输出端对电源和地接了4个TVS管，一方而可以续流，另外还可以 第2章知识表示方法部分参考答案 2.8设有如下语句，请用相应的谓词公式分别把他们表示出来： (1)有的人喜欢梅花，有的人喜欢菊花，有的人既喜欢梅花又喜欢菊花。 解：定义谓词 P(x)：x是人 L(x,y)：x喜欢y 其中，y的个体域是{梅花，菊花}。 将知识用谓词表示为： (?x )(P(x)→L(x, 梅花)∨L(x, 菊花)∨L(x, 梅花)∧L(x, 菊花)) (2) 有人每天下午都去打篮球。 解：定义谓词 P(x)：x是人 B(x)：x打篮球 A(y)：y是下午 将知识用谓词表示为： (?x )(?y) (A(y)→B(x)∧P(x)) (3)新型计算机速度又快，存储容量又大。 解：定义谓词 NC(x)：x是新型计算机 F(x)：x速度快 B(x)：x容量大 将知识用谓词表示为： (?x) (NC(x)→F(x)∧B(x)) (4) 不是每个计算机系的学生都喜欢在计算机上编程序。 解：定义谓词 S(x)：x是计算机系学生 L(x, pragramming)：x喜欢编程序 U(x,computer)：x使用计算机 将知识用谓词表示为： ?(?x) (S(x)→L(x, pragramming)∧U(x,computer)) (5)凡是喜欢编程序的人都喜欢计算机。 解：定义谓词 P(x)：x是人 L(x, y)：x喜欢y 将知识用谓词表示为： ( x) (P(x)∧L(x,pragramming)→L(x, computer)) 2.9用谓词表示法求解机器人摞积木问题。设机器人有一只机械手，要处理的世界有一张桌子，桌上可堆放若干相同的方积木块。机械手有4个操作积木的典型动作：从桌上拣起一块积木；将手中的积木放到桌之上；在积木上再摞上一块积木；从积木上面拣起一块积木。积木世界的布局如下图所示。 图机器人摞积木问题 解：(1) 先定义描述状态的谓词 CLEAR(x)：积木x上面是空的。 ON(x, y)：积木x在积木y的上面。 ONTABLE(x)：积木x在桌子上。 HOLDING(x)：机械手抓住x。 HANDEMPTY：机械手是空的。 其中，x和y的个体域都是{A, B, C}。 问题的初始状态是： ONTABLE(A) ONTABLE(B) ON(C, A) CLEAR(B) CLEAR(C) HANDEMPTY 问题的目标状态是： ONTABLE(C) ON(B, C) ON(A, B) CLEAR(A) HANDEMPTY (2) 再定义描述操作的谓词 在本问题中，机械手的操作需要定义以下4个谓词： Pickup(x)：从桌面上拣起一块积木x。 Putdown(x)：将手中的积木放到桌面上。 Stack(x, y)：在积木x上面再摞上一块积木y。 双轮自平衡车设计报告 学院………….......... 班级…………………… 姓名………………..手机号…………………..姓名………………..手机号…………………..姓名………………..手机号………………….. 目录 一、双轮自平衡车原理 二、总体方案 三、电路和程序设计 四、算法分析及参数确定过程 一.双轮自平衡车原理 1.控制小车平衡的直观经验来自于人们日常生活经验。一般的人通过简单练习就可以让一个直木棒在手 指尖上保持直立。这需要两个条件：一个是托着木棒的手掌可以移动；另一个是眼睛可以观察到木棒的倾斜角度和倾斜趋势（角速度）。通过手掌移动抵消木棒的倾斜角度和趋势，从而保持木棒的直立。这两个条 件缺一不可，让木棒保持平衡的过程实际上就是控制中的负反馈控制。 图1 木棒控制原理图 2.小车的平衡和上面保持木棒平衡相比，要简单一些。因为小车是在一维上面保持平衡的，理想状态下，小车只需沿着轮胎方向前后移动保持平衡即可。 图2 平衡小车的三种状态 3.根据图2所示的平衡小车的三种状态，我们把小车偏离平衡位置的角度作为偏差；我们的目标是通过 负反馈控制，让这个偏差接近于零。用比较通俗的话描述就是：小车往前倾时车轮要往前运动，小车往后倾时车轮要往后运动，让小车保持平衡。 4.下面我们分析一下单摆模型，如图4所示。在重力作用下，单摆受到和角度成正比，运动方向相反的回复力。而且在空气中运动的单摆，由于受到空气的阻尼力，单摆最终会停止在垂直平衡位置。空气的阻尼力与单摆运动速度成正比，方向相反。 图4 单摆及其运动曲线 类比到我们的平衡小车，为了让小车能静止在平衡位置附近，我们不仅需要在电机上施加和倾角成正比的回复力，还需要增加和角速度成正比的阻尼力，阻尼力与运动方向相反。 5 平衡小车直立控制原理图 5.根据上面的分析，我们还可以总结得到一些调试的技巧：比例控制是引入了回复力；微分控制是引入了阻尼力，微分系数与转动惯量有关。 在小车质量一定的情况下，重心位置增高，因为需要的回复力减小，所以比例控制系数下降；转动惯量变大，所以微分控制系数增大。在小车重心位置一定的情况下，质量增大，因为需要的回复力增大，比例控制系数增大；转动惯量变大，所以微分控制系数增大。 二.总体方案 ■小车总框图 概述 智勇者（Braves）作为睿智飞讯公司旗下的高端品牌，以”智能科技、乐享生活“为使命，在运输机器人、家庭服务机器人以及智能家居电器的设计、研发等领域具有突出的竞争优势。智勇者思维车、平衡车是自主开发的一款利用动态平衡原理控制行驶的智能机器人。该产品已在全球多个国家销售，深受好评。 智勇者思维车平衡车简介 智勇者平衡车工作原理 电动平衡车也叫平衡车、体感车、思维车等，自动平衡运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”（Dynamic Stabilization）的基本原理上，也就是车辆本身的自动平衡能力。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。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有不同 由于的思维车平衡车的两轮结构，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，自平衡电动车的工作原理更像人行走的过程。 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）智勇者思维车平衡车是新一代的节能、环保、便携的代步工具。充电2个小时，可以行驶25km，短途代步非常方便，可以代替公交和地铁。在环境污染日益严重的背景下，平衡车作为一种新型环保的代步工具，可以有效缓解资源的消耗和空气污染。 智勇者思维车平衡车同时也是户外休闲锻炼时理想工具。阳光、郊外、平衡车，快乐惬意，乐享生活。 主要产品型号 智能家居原理及系统组成 智能家居工作原理 折叠命令发射零碎 命令发射零碎的作用，重要是经过各类传感设备接纳各类传感信号，并触发控制命令或许经过人的自觉遥控、手动触发对应的发射类智能设备来收回控制命令，例如：温湿度传感器搜集室内的温湿度变化数据，按照需求设定温湿度变化的触发要求，当温度或湿度到达预设的触发要求时，就联动收回控制命令;当温度高时，空调开端制冷，当温度低时，空调开端制热。若装置了亮度传感器，则当室内光照亮度充足时，预设的灯光主动封闭，当室内光照亮度不够时，预设灯光主动打开。 若安防人体感应器，当设防时，监测到有人在活动时，马上触发电话报警，当非设防形态时，感应到人，主动开启预设的灯光，当监测到无人时，主动封闭灯光。以上这少许场景的完成，都是经过各类传感器来主动感应触发完成智能控制，当然也能够间接人为手动触发控制命令，例如：经过各类智能遥控器、墙上智能面板、家庭局域网内的不约束一台电脑间接触发控制命令，若人不在室内，还能够经过电话长途控制来控制室内的全部设备。 折叠命令执行零碎 例如：开灯或关灯，重要经过智能面板来完成，智能面板收到各类控制命令后，经过剖析解码，驱动对应强电驱动电路，把灯控的回道路接通或断开，这样控制就完成啦;另外，像电器、窗帘等设备的控制也是一样道理，当数字窗帘开关，收到控制命令后，立刻驱动电动窗帘电机马达的对应电路接通或断开，这样就做到窗帘的开关控制。 关于红外家电的控制，例如：空调、电视机、DVD等，经过装置在吸顶的人体感应器来完成，人体感应器收到控制信号后，立刻把控制信号转发成对应的红外指令，像控制DVD影碟机的开关、播放、暂停等红外控制指令。 关于安防报警功效的完成，当数字安防模块，收到控制命令后，会转成对应的语音信号拨打给预设的电话号码报警。关于背景音乐的控制智能，一样，当数字影音重心，收到控制命令后，立刻切换外部的播放源电路，并开端播放音源。因此，当触发各类复杂的场景命令时，例如：“影院”场景键触发，这时对应的命令执行设备零碎按照收到的命令解码并一同执行控制命令，因此，对应的灯光、电器、窗帘、背景音乐就开端片面按预设水平任务，到达了预设的场景效果。 智能家居系统组成 智能家居控制系统主要由以下几部分组成：[1] 折叠智能照明 第17卷第6期中国水运Vol.17No.62017年6月China Water Transport June 2017 收稿日期：2017-05-07 作者简介：李能斌，上海中船航运有限公司船长，总经理。 智能导航系统的发展与应用 李能斌 （上海中船航运有限公司，上海200000） 摘 要：本文首先然后分析了智能导航系统和运行原理，并针对其适用范围，指出在应用方面的局限性，以期对智 能导航系统的开发研究有所帮助。 关键词：智能导航；系统；智能决策；船舶避碰中图分类号：TP301文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2017）06-0044-03 一、引言 随着信息科学、计算机技术、人工智能及其现代控制等技术的飞速发展，人们尝试用它们来解决船舶航行的安全问题。航行安全问题一直是航海界面临的急需解决的重大课题，据海外资料统计，每年头事船舶约为200艘，总吨数为120万t，占世界船队的0.4%左右，这相当于每15d 损失一艘5万t 级的船舶。然而，在碰撞船舶的原因调查中，有80%以上是由于人为因素造成的。解决人为因素问题可以通过二个途径：一是加强船员技术培训和管理，提高船员素质和责任感；二是提高船舶自动化程度，逐步实现航海自动化，随着经济的发展，船员不长期从事这个职业已成事实。因此从技术上提高自动化程度，在决策和操作上减少人的参与，逐步实现船舶避碰自动化，这才是解决人为因素的根本方法。自80年代以来，国内外航海界在智能导航技术方面取得了重大发展，而实现智能导航的核心就是实现自动避碰，为此，许多专家、学者从各个领域，不同角度致力于解决船舶的智能避碰问题。 二、智能导航系统结构框图及各部分的作用 船舶自动避碰系统结构如图1所示。本系统由数据库、 图1船舶自动避碰系统结构图 带有虚线部分为本船的传感器，其功能是收集本船及他船的运动信息，并将所收集的信息输入数据库。根据GPS 找出我船的船位，从计程仪和罗径上知道，我船船速和航向，从雷达上可获知周围船舶动态和环境情况，通过ARPA 可知他船和我船的DCPA 和TCPA。 电子海图提供了当地水深和地质数据，航海危险物数据，助航标志数据等海图信息。 数据库主要存放来自传感器和电子海图的信息以及推理过程中的中间结果等数据，供机器学习及进行深入推理时随时调用。 知识库主要包括了根据国际海上避碰规则、船员经验和专家对国际海上避碰规则的理解和认识的模块及根据船员避碰行为和专家经验所推导的研究成果，包括了良好船艺的基础知识和规则；包括了实现避碰了推理所需的算法及其结果和由各种产生式规则形成的若干个基本避碰知识模块等构成。避碰知识库是船舶自动避碰块决策的核心部分。根据船员避碰实践、国际海上避碰规则、航海专家和专业人员对规则的解释及良好船艺的实地应用，通过知识工程的处理将其转化成可用的形式。所谓知识工程是这样的技术：它从专家和文献中选取有关特定领域的信息，并将其模型制成所选定的知识形式。描述知识可以有很多种不同形式，在本系统中所采用的专家系统中通常所采取的形式，即为“如果……那么……”产生规则。其主要优点在于它的积木性。对于避碰局面的划分，根据能见度好坏分为能见度好时两船会遇、能见度不好时两船会遇、能见度良好时多船会遇和能见度不良时多船会遇基本形式。在每一种划分中，根据不同的会遇情 况又有不同的避碰操纵划分。对每一划分的每一避碰操纵划分，根据专家意见及船员实际避碰操纵，规定了具体的操纵避碰方式。其根本目的是为推理机的推理提供充分的和必需的知识。 机器学习就是计算机自动获取知识。对于避碰这样一个动态、时变的过程，就要求系统具有实时掌握目标动态的能力，这样依据知识而编制的避碰方案才会具有人的应变能力。所建造的专家系统性能的好坏，关键取决于机器学习的质量，学习质量是通过学习的佥性（真实性）、有效性和抽象层次这三个标准来衡量的。本系统采取以下方式，提高专家系统的性能。系统设计中采用算法作为学习的表示形式，采用归纳学习作为学习策略，即学习中采用推理的方法。机器学习就是在推理机推理决定应选取哪个模块来确定避碰方法。方法 双轮自平衡车 学校：德州学院 学生：唐文涛焦方磊李尧 指导老师：孟俊焕 时间：二О一四年7 月10日～10 月 6 日共12 周 中文摘要 两轮自平衡车是动态平衡机器人的一种。2008年我国奥运会的时候安全保卫工作使用过它,到今年两轮平衡车已经发展的相对成熟。在国家节能、降耗、环保、低碳、经济的方针政策下，两轮平衡车进行了资源整合、技术升级，在原来的两轮单轴式自平衡的基础上采取两轴双轮可折叠设计，两轮自平衡车具有运动灵活、智能控制、操作简单、驾驶姿势多样、节省能源、绿色环保、转弯半径为0等优点。适用于在狭小空间内运行，能够在大型购物中心、国际性会议或展览场所、体育场馆、办公大楼、大型公园及广场、生态旅游风景区、大学校园、城市中的生活住宅小区等各种室内或室外场合中作为人们的中、短距离代步工具。也是集娱乐、代步、炫酷为一体的，主打形象是汽车伴侣解决停车后几公里内的代步问题。 两轮自平衡车主要由驱动电机、锂电池组、车轮、车身等组成。其工作原理：车体内置的精密固态陀螺仪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。 关键词：陀螺仪，动态稳定，折叠，驱动系统，平衡。 English abstract Two rounds of self-balancing vehicle is one of the dynamic balance of the robot. In 2008 the Olympic Games security work used it in our country, in the year to balance two rounds of car has developed relatively mature. In the national energy saving, consumption reduction, environmental protection, low carbon, economic policies and regulations, the two rounds of balance of resource integration, technology upgrades, in the original two rounds of single shaft type taken on the basis of self balancing two shaft double folding design, two rounds of self-balancing vehicle movement, flexible, intelligent control, simple operation and driving posture diversity, save energy, green environmental protection, the advantages of turning radius of 0. Apply to run in narrow space, can in a large shopping center, the international conference and exhibition venues, sports venues, office buildings, large parks and square, ecological tourism scenic spot, the university campus, city life in residential quarters and other indoor or outdoor situations as the medium and short distance transport of people. Is entertainment, walking, cool as a whole, the main image is car partner solve the problem of parking within a few kilometers after walking. Two rounds of self-balancing vehicle is mainly composed of drive motor, lithium battery pack, wheel, body, etc. Its working principle: the body's built-in precision solid-state gyroscope to judge the body's position, through sophisticated and high-speed central microprocessor Quizzes for Chapter 1 1单选(1 分)图灵测试旨在给予哪一种令人满意的操作定义得分/ 总分 ? A.人类思考 ? B.人工智能 ? C.机器智能1.00/1.00 ? D.机器动作 正确答案：C你选对了 2多选(1分)选择以下关于人工智能概念的正确表述得分 /总分 ? A.人工智能旨在创造智能机器 该题无法得分/1.00 ? B. 人工智能是研究和构建在给定环境下表现良好的 智能体程序该题无法得分/1.00 ? C.人工智能将其定义为人类智能体的研究该题无法 得分/1.00 ? D.人工智能是为了开发一类计算机使之能够完成通 常由人类所能做的事该题无法得分/1.00 正确答案：A、B、D你错选为A、B、C、D 3多选(1分)如下学科哪些是人工智能的基础？得分/总分 ? A.经济学0.25/1.00 ? B.哲学0.25/1.00 ? C.心理学0.25/1.00 ? D.数学0.25/1.00 正确答案：A、B、C、D你选对了 4多选(1分)下列陈述中哪些是描述强AI(通用AI)的正确答案？ 得分/总分 ? A.指的是一种机器，具有将智能应用于任何问题的 能力0.50/1.00 ? B.是经过适当编程的具有正确输入和输出的计算 机，因此有与人类同样判断力的头脑0.50/1.00 ? C.指的是一种机器，仅针对一个具体问题 ? D.其定义为无知觉的计算机智能，或专注于一个狭 窄任务的AI 正确答案：A、B你选对了 5多选(1分)选择下列计算机系统中属于人工智能的实例得分/总 分 ? A.Web搜索引擎 ? B.超市条形码扫描器 ? C.声控电话菜单该题无法得分/1.00 ? D.智能个人助理该题无法得分/1.00 正确答案：A、D你错选为C、D 6多选(1分)选择下列哪些是人工智能的研究领域 得分/总分 ? A.人脸识别0.33/1.00 ? B.专家系统0.33/1.00 ? C.图像理解 ? D.分布式计算 正确答案：A、B、C你错选为A、B 7多选(1分)考察人工智能(AI)的一些应用，去发现目前下列哪些 任务可以通过AI来解决得分/总分 ? A.以竞技水平玩德州扑克游戏0.33/1.00 ? B.打一场像样的乒乓球比赛 ? C.在Web上购买一周的食品杂货0.33/1.00 ? D.在市场上购买一周的食品杂货 正确答案：A、B、C你错选为A、C 8填空(1分)理性指的是一个系统的属性，即在_________的环境 下做正确的事。得分/总分 正确答案：已知 1单选(1分)图灵测试旨在给予哪一种令人满意的操作定义得分/ 总分 基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计 文件排版存档编号：[UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208] 基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计 摘要 两轮自平衡车是一种高度不稳定的两轮机器人，就像传统的倒立摆一样，本质不稳定是两轮小车的特性，必须施加有效的控制手段才能使其稳定。本文提出了一种两轮自平衡小车的设计方案，采用重力加速度陀螺仪传感器MPU-6050检测小车姿态，使用互补滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合。系统选用STC公司的8位单片机STC12C5A60S2为主控制器，根据从传感器中获取的数据，经过PID算法处理后，输出控制信号至电机驱动芯片TB6612FNG，以控制小车的两个电机，来使小车保持平衡状态。 整个系统制作完成后，小车可以在无人干预的条件下实现自主平衡，并且在引入适量干扰的情况下小车能够自主调整并迅速恢复至稳定状态。通过蓝牙，还可以控制小车前进，后退，左右转。 关键词：两轮自平衡小车加速度计陀螺仪数据融合滤波 PID算法Design of Control System of Two-Wheel Self-Balance Vehicle based on Microcontroller Abstract Two-wheel self-balance vehicle is a kind of highly unstable two-wheel robot. The characteristic of two-wheel vehicle is the nature of the instability as traditional inverted pendulum, and effective control must be exerted if we need to make it stable. This paper presents a design scheme of two-wheel self-balance vehicle. We need using gravity大学毕业设计---基于arm的两轮自平衡车模型系统设计课程
读书报告：平衡车的原理及功能实现方法
人工智能原理及其应用(第2版)》王万森编著电子工业出版社课后习题答案37
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智勇者平衡车
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智能导航系统的发展与应用
两轮平衡车说明书
人工智能原理MOOC习题集及答案 北京大学
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