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2016届优秀毕业论文(六)

作者: 时间:2018-09-12 点击数:

自平衡独轮机器人设计

电子信息工程 201210829 马一鸣

指导教师 王耀琦(副教授)

摘要:本设计是基于垂直转子的独轮机器人,整体系统分为车体和控制系统。车体主要分为俯仰行走轮部分和横滚惯性轮部分;控制系统分为电源部分、控制器部分、反馈部分和驱动部分。

系统整体的动态平衡由控制器来调整,通过对行走轮的控制实现俯仰平衡,通过对惯性轮的控制实现横滚平衡。系统平衡的精度靠反馈部分调节。反馈部分的陀螺仪和加速度计将角速度值和角度值传回控制器,控制器将其转换成对驱动部分的控制变量,从而调节电机转速来调节系统整体平衡。

关键词:独轮机器人;俯仰行走轮;横滚惯性轮

1 引言

随着信息化时代的飞速发展,机器人技术和人们的生活联系日益紧密,独轮机器人作为新型机器人,也显得越来越重要。由于其体积小,行动灵活,越来越多的学者都开始了对其的研究。本设计就是在这样的背景下提出的,设计的自平衡独轮机器人能够在程控的条件下实现自平衡。

2 系统总体设计

控制器的设计应该以系统功能实现为基础,根据现实情况具体设计,本次课题的研究设计主要按照系统设计模块化、控制器关键模块冗余化、系统制作经济实用、软件补偿硬件等原则来设计。

(1) 功能分析

系统整体的功能为实现动态自平衡,其自平衡的实现与机械重心的位置和软件控制算法的设计密不可分。软件控制算法由控制器去具体实现,所以,为实现系统功能,控制系统应具备以下特点和功能:

a. 运算及处理速度快:独轮机器人的高度非线性致使其控制算法非常复杂,所以需要高速的处理器来实现;

b. 偏角检测:系统需要实时纠正车体恢复到平衡位置,这就需要实时检测其角度和平衡位置角度的偏差,从而保证功能的实现;

c. 信号处理:控制器需要接收不同传感器检测到的数字或模拟信号,并通过算法转换施加到电机的脉宽调制上;

d. 电源兼容:多模块的特点决定了系统需要兼容性较强的电源模块来提供电力保障;

e. 数据通信:便于和上位机交换数据,方便调试以及软件算法的修改测试。

(2) 硬件总体设计

本设计用铝合金材料制作车体及惯性轮,MK60DN512处理器控制核心,采用模块化的设计方案,运用陀螺仪模块、加速度计模块采集小车角度偏差通过处理器对角度偏差的处理来控制小车的平衡。

在本系统中,陀螺仪模块和加速度计模块测得的是分别是当前角速度和当前角度值,然后将信号传送到单片机系统进行处理,将角度信号转成PWM信号调节电机来控制车体平衡电机转向、调速通过BTN7960芯片驱动完成。控制系统的工作流程如图1所示。

1  控制系统工作流程图

(3) 软件总体设计

在主程序模块中,需要完成对各模块接口的初始化及上电自测FTM模块的初始化、UART模块的初始化、中断向量的设计以及开中断、循环等等待工作。另外,在主程序模块中还需要设置启动/清除标志寄存器,并对它们进行初始化,然后分别完成不同的操作,主程序流程图如图2所示。

2  主程序流程图    

3 系统的具体实现

   (1) 硬件设计

独轮机器人系统是一个高阶、非线性强、高耦合度的系统,其总体结构对硬件设计要求比较高。本文介绍的机器人总体由车架、俯仰行走轮、横滚惯性轮以及控制系统构成。其总体结构如图3所示。

3  总体结构图

   (2) 软件的具体实现

a. 平衡检测程序

平衡检测程序的主要功能是陀螺仪和加速度计输出值的处理程序。由于陀螺仪受环境温度影响较大,其正常工作的输出误差主要来源于温度漂移,加速度计输出值受机体运动影响较大,故系统角度偏移量需要陀螺仪和加速度计共同测量。将陀螺仪和加速度计测量值进行角度融合得到最终系统整体的角度,再和设定的中值进行对比,计算出角度偏移量。

b. 状态反馈处理程序

反馈程序的功能是采集、比较和处理,其作用就是比较测量值和期望值,求其差值来纠正系统的响应。本系统采用PID控制算法来调节系统的响应。

反馈处理是将陀螺仪测得的角速度值和加速度计测得的角度值进行拟合,并将拟合后的角度值转化为PWM占空比变量的过程。由于陀螺仪测量值为角速度,故先将其进行积分得到角度值,再将其和加速度测到的角度值按不同权重进行拟合。

4 系统测试及总结

(1) 测试

a. 测试仪器

测试仪器包括数字万用表、数字示波器、直流稳压电源等。

b. 测试过程

斗牛NC-03传感器静止状态,即角速度为零时对传感器进行测量,其输出值约为1.352V。由于条件不允许,创造不出特定角速度的环境来检测传感器,只能通过使传感器加速或减速旋转摆动来粗略测量,其拟合曲线如图4所示,两曲线分别为加速度计的输出值以及其与陀螺仪输出值融合后的角度值。

4  角度拟合曲线

(2) 结论

本文以垂直转子结构的独轮机器人为对象进行了研究,根据其运动的特征设计制作了机体、控制系统,在硬件基础上编写了动态平衡的控制程序,最终实现了机器人的动态平衡。本次设计研究主要完成的工作有:

a. 根据独轮机器人的运动特点,设计制作了基于垂直转子的机械结构作为其机体。根据设计原则选择了合适的硬件搭建其机架;

b. 独立完成了系统硬件的设计制作,并测试了其稳定性;

c. 结合其耦合度高、非线性强、欠驱动等特点,设计改进了基于PD算法的控制器调节系统平衡;

d. 采用陀螺仪和加速度计双角度拟合的方法,使角度测量更加精准,提高了控制器系统的精确度;

e. 通过实验优化了控制算法。

虽然最终设计基本完成了功能,但还有不足之处,其不足主要有:

a. 角度检测部分还存在静态误差,改进滤波算法可以使其更加稳定;

b.  PD控制器参数还需进一步修改优化;

c. 机体机械结构还存在问题,电机重心太低,致使整体横滚角度过小,很容易触地;

另外,系统还未实现转向功能,此可以作为将来的研究目标,希望将来可以对机器人进一步完善改进,使其向真正的智能化机器人迈进。

参考文献

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[4] 王启源. 独轮平衡机器人建模与控制研究[D]. 北京:北京工业大学,2011:17-18.

[5] 汤蕴璆,罗应立,梁艳萍. 电机学[M]. 北京:机械工业出版社,2008:75-116.

[6] 滕青芳,范多旺,董海鹰,路小娟. 自动控制原理[M]. 北京:人民邮电出版社,2008:230-241.

The Design of Unicycle Robot

斗牛lectronic and Information 斗牛ngineering 201210829 Ma Yiming

Instructor Wang Yao-qi (Associate professor)

Abstract: The design is the unicycle robot which bases on vertical rotor, the whole system is divided into body and control system. The body is mainly divided into pitch walking round and roll inertia round; the control system is divided into the power section, controller section, feedback section and driving section.

The whole homeostasis of system is adjusted by the controller section .Which achieves the pitch balance by controlling walking round and achieves the roll balance by controlling the inertia round. The accuracy of the balance in system is depended on adjusting the feedback section. Feedback section return the angular values and angle values which are collected by gyroscopes and accelerometer back to the controller section. The controller section will translate these into a control values and adjust the whole balance of the system by adjust the motor speed.

Keywords: single wheel robot, Pitch wheel, Roll inertia wheel

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