自平衡機器人的設(shè)計

自平衡機器人的設(shè)計

利用自平衡機器人進行動態(tài)平衡控制移動機器人在所有應(yīng)用中都被廣泛使用。由于結(jié)構(gòu)簡單、可控、成本低等優(yōu)點，移動機器人已成為研究移動機器人的主要方向。自平衡機器人采用水平布置的兩輪結(jié)構(gòu),本身是一個不穩(wěn)定體。也就是說,自平衡機器人在靜止?fàn)顟B(tài)下,不能保持平衡,車體總是要向前或向后傾倒;而在運動狀態(tài)下,可以通過一定的控制策略使它達到動態(tài)平衡。由于自平衡機器人具有內(nèi)在不穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)靈活性,國內(nèi)外機器人愛好者設(shè)計了多種結(jié)構(gòu)、外觀各異的自平衡機器人,嘗試采用各種控制策略使其達到自平衡控制。通常這類機器人采用姿態(tài)傳感器檢測機器人車體的傾倒角度和傾倒角速度,根據(jù)當(dāng)前機器人姿態(tài)控制伺服電機驅(qū)動電壓的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速,從而使機器人保持平衡。該方式制作的自平衡機器人雖然控制性能良好,但成本高,不適合廣泛推廣。本文設(shè)計的機器人嘗試采用紅外測距傳感器測量車體與地面的距離,通過計算獲取機器人的姿態(tài)信息,進而實現(xiàn)機器人的自平衡。1電機和齒輪減速機構(gòu)本文設(shè)計的自平衡機器人系統(tǒng)主要由機械行走裝置、控制系統(tǒng)和傳感器3部分組成,如圖1所示。機械行走裝置主要由車體平臺、電機驅(qū)動器、直流無刷電機、齒輪減速機構(gòu)和車輪組成。機器人采用48V電池供電,通過DC—DC模塊轉(zhuǎn)換為5V和24V電壓。其中,5V提供給控制系統(tǒng)和傳感器,24V提供給電機驅(qū)動器?？刂葡到y(tǒng)以ATmega128單片機為主控制芯片,通過SJA1000擴展CAN總線與電機驅(qū)動器通信。紅外測距傳感器的輸出是與距離成正比的模擬電壓值,輸入到單片機的A/D采樣端口進行處理,從而得到距離信息。機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。2機器人傾斜角度測量方程機器人的姿態(tài)信息包括傾倒的角度和角速度。如圖3所示,機器人左右兩側(cè)水平位置各安裝有1個紅外測距傳感器,可以測量與地面之間的距離d1和d2。當(dāng)機器人在豎直狀態(tài)時,左右傳感器距離差為零。當(dāng)機器人傾倒時,距離差與傾倒角度θ成函數(shù)關(guān)系如下:sinθ=(d2?d1)/Dsinθ=(d2-d1)/D其中,D為傳感器之間的距離。機器人在豎直動態(tài)控制時傾倒角度范圍較小,此時sinθ≈θ,即可由傳感器的距離信息得到機器人的傾倒角度。角速度可以通過θ對時間求導(dǎo)獲得。選用的紅外測距傳感器為Sharp公司的GP2D12,輸出為0.4～2.4V的模擬信號,對應(yīng)的測量距離為10～80cm。在同一溫度下,傳感器的輸出與測量結(jié)果呈良好的線性關(guān)系,可以滿足自平衡機器人的要求。3管理系統(tǒng)的設(shè)計3.1平衡位置的調(diào)整當(dāng)車體偏離平衡位置(豎直位置)向前傾斜時,傳感器采集信息并傳送到單片機進行計算和判斷,車輪隨之作出響應(yīng)向前運動,將車體向平衡位置調(diào)整;同樣當(dāng)車體向后傾斜時,車輪將向后運動。這樣機器人一直處在傾斜判斷、運動調(diào)整的動態(tài)過程中,使車體始終保持在平衡位置附近,達到一種動態(tài)平衡。3.2基于fpga的智能系統(tǒng)控制系統(tǒng)主芯片選用Atmel公司基于RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機ATmega128。它采用低功耗CMOS工藝;具有豐富的片上資源,包括4個定時器、4KB的數(shù)據(jù)SRAM、128KB的程序Flash、可外擴至64KB的E2PROM和8個10位ADC通道;擁有UART、SPI、I2C、JTAG接口,方便外部擴展和傳感器的接入。3.2.1輸出端電阻阻值傳感器信號通過放大器引入,通過設(shè)置反饋電阻(R1和R2)和輸出端電阻(R3和R4)的阻值可以使輸入的電壓值在要求的范圍內(nèi)。具體硬件電路如圖4所示。3.2.2sra0103、ale、int單片機與電機控制器采用CAN總線通信,CAN接口采用Philips公司的CAN物理層和鏈路層接口芯片SJA1000和PCA82C250。單片機直接控制SJA1000的AD0～AD7、ALE、INTˉˉˉˉˉˉΙΝΤˉ引腳。SJA1000工作在Intel模式下,MODE腳接高電平,片選腳CSˉˉˉˉCSˉ接地,始終處于選通狀態(tài)。擴展CAN通信電路如圖5所示。單片機對SJA1000的操作主要是對寄存器的操作:一方面,對SJA1000的模式寄存器、命令寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器、中斷允許寄存器、總線定時寄存器、輸出控制寄存器、時鐘分頻計數(shù)器進行設(shè)置和檢測;另一方面,對收發(fā)緩沖區(qū)進行讀寫,從而和CAN設(shè)備交換數(shù)據(jù)。3.3系統(tǒng)控制流程自平衡機器人的控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下功能:傳感器信息處理和機器人姿態(tài)信息計算,電機控制PID算法實現(xiàn)和CAN口的數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)控制流程如圖6所示。系統(tǒng)上電后從主函數(shù)開始執(zhí)行。主函數(shù)負(fù)責(zé)初始化控制器的I/O口、CAN口、控制周期定時器、A/D轉(zhuǎn)換器、各個中斷接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)模塊等。初始化完畢,控制周期定時器時間到后,傳感器信息輸入到A/D轉(zhuǎn)換器中進行轉(zhuǎn)換,計算機器人的傾倒角度和傾倒角速度;然后調(diào)用PID算法計算電機控制數(shù)據(jù),并通過CAN口輸出給電機驅(qū)動器。3.4pid控制算法機器人采用經(jīng)典的PID算法進行平衡控制?？刂葡到y(tǒng)采用典型的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和前饋控制方法。速度環(huán)路設(shè)計有利于提高電機輸出速度精度。前饋控制主要是為了補償電機轉(zhuǎn)軸與車輪轉(zhuǎn)動軸以及傳動系統(tǒng)的間隙誤差,這些誤差是穩(wěn)定的、可以測量的。當(dāng)電機在正反轉(zhuǎn)變換時,控制系統(tǒng)可以檢測到變換方向,經(jīng)過位置誤差環(huán)節(jié)調(diào)整后把確定的偏差補償量疊加到驅(qū)動器輸出端。這樣電機轉(zhuǎn)動的角度在原理基礎(chǔ)上增加了補償量,機械誤差得以修正。采用PID控制算法公式如下:u(k)=u(k-1)+Δu(k)Δu(k)=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]其中,u(k)為當(dāng)前調(diào)節(jié)器輸出量;u(k-1)為上一次調(diào)節(jié)器輸出量;Δu(k)為當(dāng)前控制增量;e(k)為當(dāng)前控制誤差量;Kp為比例系數(shù);KI為積分系數(shù);Kd為微分系數(shù)。PID控制算法流程如圖7所示。圖中,ε為調(diào)試過程中設(shè)定的誤差值。4傾斜角度測量利用該控制方法,對原理樣機進行了多次實驗。實驗中,在機器人正上方水平位置安裝陀螺儀,以采集機器人的傾倒角度數(shù)據(jù)。實際測量角度信息隨時間變化的曲線如圖8所示。通過測得數(shù)據(jù)分析可以看到,機器人大致可