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自平衡机器人控制系统设计实现

2019/09/05 阅读:

两轮自平衡机器人的控制系统是实现两轮自平衡机器人的移动过程中保持平衡的关键系统,也是两轮自平衡机器人实现功能拓展与增加的基础与前提。

1两轮自平衡机器人概述

两轮自平衡机器人是移动式机器人的一个重要分支,在近些年来实现了快速的发展突破,由于其在控制性、生产经济性、功能拓展性等方面都较其他的轮式机器人有较为明显的优势,因而一度成为轮式机器人控制研究领域的热点研究论题。两轮式自平衡机器人的物理结构由两个车轮与机器人机身组成,车轮一般是由直流轮式电机与加装的功能及控制部件组成,机身多为连接两个车轮的长方体结构,机身下板固定安装机器人的控制系统及电池等电路设备,上板一般可以安装一些拓展性的功能模块,在机器人的行走移动功能的基础上再进行一定的功能拓展,使其具有更加丰富的功能,以拓展两轮自平衡机器人的适用范围与实用性。两轮自平衡机器人的双轮结构决定了其的不稳定平衡性,在静止状态下将自平衡机器人放置在水平的地面上,机器人机身将向前或向后倾倒,无法实现机身平面的平衡,因此必须要通过机器人的平衡控制系统对两个车轮进行协调控制,以实现机器人机身的平衡。

2自平衡机器人的平衡控制机理

两轮自平衡机器人的机身平衡控制系统多为以单片机为计算系统的集成电路控制系统,通过安装在车轮位置的姿态传感器测量机身的倾斜角度,然后通过控制电路内核的单片机使用相应的算法对控制车轮转动的伺服电机输出相应的控制信号,进而使轮式电机产生与之对应的扭矩,从而实现机身的平衡。自平衡机器人在控制系统不工作的状态下无法实现机身的平衡,因此机身会向前或向后倾倒,根据倾倒的方向与倾倒角度的大小判断机身的位置状态。当控制系统通电工作时,可以根据机器人的运动状态为其定义前进、后退、静止三个工作状态,姿态传感器将倾倒方向、倾倒角度等数据采集并发送至单片机后,再由单片机对车轮输出控制信号,形成检测——接收——计算处理——输出控制信号的周期过程,而当单片机对车轮输出控制信号后,车轮与车身的位置与运动状态也会发生相应的改变,因此两轮自平衡机器人的平衡控制是一个连续动态的检测输出控制过程。

3控制系统主要硬件设计

3.1单片机选用

目前我国用于实验研发的自平衡车控制系统中多使用单片机作为核心计算系统,使用较多的有80C51系列单片机、STM32系列单片机、ARM单片机等。对于自平衡车的控制系统而言,单片机的构架与计算速度是比较重要的参考指标,同时单片机运行环境的稳定性也对控制系统有着重要影响。对于大多数单片机为核心的控制系统,两个车轮的群东都使用PWM输出管脚进行对轮式电机的控制,同时利用单片机内置的定时模块利用检测模块输出脉冲信号,从而监测机器人机身的倾角大小。
3.2检测模块的设计

MPU-6000芯片是世界上第一例整合性6轴运动处理组件,在增加了内部组件集成的同时,提高了陀螺仪与加速器的应用效率与使用性能,缩小了芯片封装的体积,增加了模拟量计算的准确性,由于其出色的角速度感测范围,MPU-6000芯片广泛运用于智能手机和平板电脑的体感组件、姿势感应、运动感测游戏等场景。对于两轮自平衡机器人的控制系统而言,使用MPU-6000芯片作为机身倾角的检测组件可以有效提升角速度检测的准确性,为单片机输入更为准确的角速度型号,从而提升控制系统平衡控制性能。

3.3通信模块的设计

多数两轮自平衡机器人的控制系统在实验阶段都会使用无线蓝牙通信技术,SPP-C蓝牙通信模块在蓝牙信号的输出功率、模块体积、运行稳定性等方面都能够有效满足多数控制系统的通信要求。通过无线蓝牙通信组件可以实现对自平衡机器人的远程控制,并且大大的增加了控制系统的兼容性,使控制方法及范围拓展至大量的集成蓝牙通信功能的移动终端设备。目前绝大多数的笔记本电脑、智能手机、平板电脑等移动终端都搭载有无线蓝牙通信功能,通过蓝牙模块可以与单片机进行无线通信,从而实现两轮自平衡机器人的远程控制。

4控制系统实现的注意事项

4.1保证控制系统的接线质量

两轮自平衡机器人的控制系统是由多种功能模块及电子元器件组合集成形成的电子控制系统,需要将复杂的芯片管脚、引线按照设计图纸高质量的连接才能保证控制系统的稳定性,从而实现控制系统的控制效果。在两轮自平衡机器人的控制阶段,为了提高控制系统元器件更换的便利性,很多模块与其他电子元器件的连接都是使用引线的连接方式,虽然这样的方式能够通过大量的组件使用实验筛选出适合其设计的控制策略的功能模块,有效的减少了实验过程中更换组件的时间,提高了实验的效率,但是通过引线连接也在一定程度上增加了控制系统的不稳定性。尤其是再机器人拓展功能较多时,过多的引线影响了出现故障时检测故障的效率,同时由于控制系统内部空间有限,引线连接也增加了接线难度,时常发生引线失误短接造成元器件烧毁损坏的情况,如果短接发生在一些体积较小的元器件上,故障检测工作会变得非常复杂且耗时长,大大影响了实验的效率。因此,在两轮自平衡机器人控制系统的实验中,应尽量提高控制系统接线的质量,以提高控制系统的稳定性,提高实验效率,促进控制系统功能的实现。

4.2优化电源与电机驱动模块

在两轮自平衡机器人控制系统实现的实验中,一般都需要进行多次实验才能优选出较为有效的平衡策略。因此,多数平衡控制系统的研发实验都将实验重点放在控制系统检测模块、数据处理算法模型、控制信号输出模块等方面,而忽略了机器人电源系统和车轮电机驱动系统的优化。根据笔者的实验经验,部分两轮自平衡机器人控制系统策略设计的实现不是因为其控制策略设计不合理,而是其设计的控制系统未能得到输出稳定、功率满足要求的电源支持系统,导致控制系统的供电不足,各功能模块之间的信号无法有效传达或者传达效率产生偏差,从而影响了控制信号输出的准确性。还有部分实验失败是因为电机的驱动模块功率不足,当机身倾角角度过大时无法为电机提供足够大的扭矩,从而使机器人失去平衡。因此在实验中,需要优化机器人的电源与电机驱动模块,在实验条件允许的条件下尽量选择性能超过实验要求范围的元器件,从而保证控制系统功能的实现。

4.3优化软件系统算法

软件系统的角速度算法是两轮自平衡机器人控制系统的核心部分,如果算法设计编写不合理,即使检测模块的角速度数据收集再准确也会影响控制系统的功能实现。目前两轮自平衡机器人的控制策略较为多样,算法编写方法也较为丰富,通过查阅相关的实验数据能够较为容易的找到适用的算法。需要强调的是,不同的软件算法是和具体的控制策略紧密结合的,因此在软件算法的选择时需要根据控制策略进行针对性的优化,从而提高单片机输出信号的准确性。

5结语

综上所述,两轮自平衡机器人由于出色的可控性、拓展性在近些年来实现了很大的发展,在控制系统方面的研究也越来越多。两轮自平衡机器人的控制机理主要是通过伺服电机控制车轮的扭矩,从而实现控制系统工作时机器人机体的平衡。在两轮自平衡机器人的控制系统中,单片机的选用、检测模块的设计、蓝牙模块的设计是三个较为重要的设计环节,在控制系统功能的实现过程中有必要在保证控制系统的接线质量、优化电源与电机驱动模块、优化软件系统算法三个方面投入更多精力,以提升两轮自平衡机器人的控制系统的控制有效性,保证控制系统功能的实现。

参考文献

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[5]陈伟,延文杰,周超英.两轮自平衡机器人控制系统的设计[J].传感器与微系统,2008,27(4).

作者:刘静 肖家宝 王晓 钱雯 单位:南京工程学院

自平衡机器人控制系统设计实现

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