單球輪移動機器人控制器的設(shè)計與實現(xiàn)-答辯

單球輪移動機器人控制器的設(shè)計與實現(xiàn)XXG20128259

XX副教授工程碩士單接觸點多自由度以球體為驅(qū)動輪全方位移動CONCEPT球上自平衡機器人對比普通輪式機器人占地面積小全方向移動人機交互更靈活對于科研本身多變量強耦合非線性RESEARCHMEANING理想實驗平臺課題內(nèi)容主體步進電機全向輪驅(qū)動球機械結(jié)構(gòu)設(shè)計控制器硬件設(shè)計主體姿態(tài)解算控制算法研究系統(tǒng)軟件設(shè)計單球輪移動機器人控制器的設(shè)計與實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計單球輪移動機器人控制器的設(shè)計與實現(xiàn)Y

X電機1電機2電機3

底盤步進電機萬向輪α=120°β=45°底盤孔洞中心對稱，重心過球心結(jié)構(gòu)分層，便于放置硬件步進電機步進電機驅(qū)動器機器人控制器萬向輪塑料底盤

機器人控制板步進電機驅(qū)動器PVB塑料板QL萬向輪步進電機控制器硬件設(shè)計單球輪移動機器人控制器的設(shè)計與實現(xiàn)機器人供電姿態(tài)信息采集步進電機控制數(shù)據(jù)存儲與上位機通訊供電供電RS232接口RS232接口I2C接口三軸角速度數(shù)據(jù)三軸加速度數(shù)據(jù)PWM脈沖微控制器（MCU）

步進電機驅(qū)動器步進電機機器人本體六軸姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)存儲TF卡姿態(tài)顯示上位機WIFI模塊

控制調(diào)試上位機

電壓變換

36V供電電壓SDIO接口姿態(tài)檢測模塊步進電機控制電路內(nèi)存卡電源電路STM32WIFI模塊USB主體姿態(tài)解算單球輪移動機器人控制器的設(shè)計與實現(xiàn)加速度計數(shù)據(jù)處理陀螺儀數(shù)據(jù)處理姿態(tài)角度融合測量主體偏移平衡位置的角度測量主體空間移動的角速度橫滾角俯仰角加速度模參數(shù)加速度計陀螺儀低通/均值濾波卡爾曼/均值濾波姿態(tài)解算四元數(shù)/歐拉角互補濾波主體姿態(tài)解算單球輪移動機器人控制器的設(shè)計與實現(xiàn)加速度計數(shù)據(jù)處理受到電機振動干擾的加速度計X軸原始數(shù)據(jù)曲線切比雪夫I型濾波器濾波后的X軸數(shù)據(jù)曲線切比雪夫I型低通濾波器階數(shù)：n=3通帶允許最大衰減αp=1dB阻帶最小衰減αs=30dB通帶截止頻率約為ωp=5Hz阻帶下限截止頻率約為ωs=15Hz濾波器幅頻特性曲線主體姿態(tài)解算單球輪移動機器人控制器的設(shè)計與實現(xiàn)陀螺儀數(shù)據(jù)處理均值濾波器開啟電機并運動時，繞X軸旋轉(zhuǎn)角速度原始數(shù)據(jù)曲線開啟電機并運動時，繞X軸旋轉(zhuǎn)角速度經(jīng)均值濾波后數(shù)據(jù)曲線主體姿態(tài)解算單球輪移動機器人控制器的設(shè)計與實現(xiàn)姿態(tài)融合互補濾波自適應(yīng)參數(shù)其中互補濾波生成橫滾角曲線控制算法研究單球輪移動機器人控制器的設(shè)計與實現(xiàn)使用步進電機作為驅(qū)動電機，力矩控制困難系統(tǒng)模型復(fù)雜，建模工作量大模糊PD算法控制算法研究單球輪移動機器人控制器的設(shè)計與實現(xiàn)屬性實際范圍論域范圍量化/比例因子輸入角度[-5°,

+5°][-6,-5,…,5,6]1.2輸入角速度[-0.5rad/s,+0.5rad/s][-6,-5,…,5,6]12輸出Kp[0,20][0,1,2,…,6]10/3輸出Kd[0,5][0,1,2,…,6]5/6輸入量E的隸屬度函數(shù)曲線Kp與輸入量E、EC的關(guān)系圖Kd與輸入量E、EC的關(guān)系圖系統(tǒng)軟件設(shè)計單球輪移動機器人控制器的設(shè)計與實現(xiàn)系統(tǒng)屬性開發(fā)工具：KeiluVision3.0開發(fā)語言：C語言系統(tǒng)時鐘周期：1.672ms軟件組成系統(tǒng)初始化接口通訊程序姿態(tài)數(shù)據(jù)處理程序運動控制程序數(shù)據(jù)存儲程序5V電源3.3V電源36V電源WIFI電源硬件上電測試姿態(tài)解算測試電機驅(qū)動測試WIFI通訊測試數(shù)據(jù)存儲測試系統(tǒng)測試單球輪移動機器人控制器的設(shè)計與實現(xiàn)機器人平衡測試單球輪移動機器人控制器的設(shè)計與實現(xiàn)CONCLUSION結(jié)論以STM32為控制核心，傳感器MPU6050為檢測裝置，步進電機為驅(qū)動裝置，模糊PD算法進行控制，能夠有效實現(xiàn)對單球輪移動機器人的平衡控制；問題傳感器濾波、融合算法需要改進；模糊PD算法需要進一步優(yōu)