机器人,设计,论文,平衡分析解析

1、分类号 密级UDC 编号本科毕业论文（设计）题目 单轴双轮自平衡机器人的设计与制作系别专业名 称 电子信息科学与技术年级学生姓名学号指导教师二0六年四月目录1. 绪论 错误！未定义书签1.1 引言 错 误！未定义书签1.2 本文研究的内容 错 误！未定义书签2. 理论分析 错误！未定义书签2.1 自平衡小车的物理建模 错 误！未定义书签2.2 PID 控制技术 错 误！未定义书签2.3 简易对称互补滤波技术 错 误！未定义书签3. 系统设计 错误！未定义书签3.1 硬件设计方案论证 错 误！未定义书签3.2 软件设计方案论证 错 误！未定义书签4. 综合调试 错误！未定义书签5. 总结 错误！

2、未定义书签参考文献 错误！未定义书签附录 部分程序代码 错误！未定义书签摘要：单轴双轮自平衡机器人是一个极不稳定的系统，常用来检验控制算法的有效 性。本文主要综述了单轴双轮自平衡系统的研究现状，以及单轴双轮自平衡系统的 研究价值。然后通过物理建模得到了单轴双轮自平衡系统的运动学特性，并结合传 感器技术和自动控制理论提出了一个单轴双轮自平衡小车的设计方案。采用了陀螺 仪和加速度传感器分别对车体倾角进行检测，利用对称互补滤波算法对检测到的数 据进行融合得到精确的车体倾角，再引入 PID 技术对车体姿态进行精确控制。最后 对论文所做的工作进行了总结，对未来的研究和发展做出了展望。关键词： 自平衡 电

3、机驱动 PID 技术 陀螺仪 简易对称互补滤波器Abstract:The uniaxial two-wheeled self-balancing robot is a very unstable system, so often used to test the effectiveness of the control algorithm.In recent years many experts from home and abroad have had a deep research on the theory of uniaxial two-wheeled self-balancing,a

4、nd the theory was greatly promoted. Then through the physical modeling the kinematic characteristics was found,and Combined with sensor technology and automatic control theory a design was Presented. The gyroscope and accelerometer sensors are respectively on robot inclination detection, complementa

5、ry symmetry filtering algorithm was used to deal with data and get the precise body inclination ,Then introduce PID technology on vehicle attitude control. Finally the paper makes a conclusion, implications for future research and development prospects.Key words: self-balance motor-drives PIDtechnol

6、ogy gyroscope simple complementary filtering1.绪论1.1 引言近年来，随着人工智能理论和传感器技术的发展， 机器人理论得到了很大的 发展。做为移动机器人中的一个重要分支， 单轴双轮自平衡系统也引起了国内外 的科研机构和企业以及一些机器人 DIY 爱好者的关注。它是一个绝对不稳定系 统，必须施加强有力的控制手段才能保重其平衡， 所以它可以用于检验控制算法 的有效性。由于引入了人工智能技术和传感器技术所以可以完成复杂环境下的复 杂任务，只需要在硬件上做很少的改动就可以增加载人功能， 成为单轴双轮自平 衡代步车。2002年瑞士联邦技术学院工业电子实验室的

7、研究人员研制的名为 JOE 的基 于倒立摆的小型自平衡两轮车模型，是由 DSP 芯片进行控制的。它由车架上方 所附的重物模拟实际车中的驾驶者。 研究人员通过陀螺仪和光电编码器测量的数 据，用线性状态反馈控制器控制整个系统的平衡稳定1。同年，美国 kgo 公司的 SteveHassenplug 设计了两轮自平衡传感式机器人Legway。这个设计引入了电机的差动驱动方式，它可以工作在倾斜面甚至不规 则表面上，可遥控操作。通过对电动机进行遥控， Legway 可以在前行，后退和 转弯时保持平衡，可以实现零半径转弯和 U 型回转。同年三洋电机展示了可依 靠上体倒立来保持平衡的双轮行走机器人“FLATH

8、RU ”，大小为602X 463X564mm,重20Kg。移动速度方面，平地行走时最大 30cm/s,可搬运重量最大为 10Kg，运行时间约为1小时。车轮中嵌有一个输出功率为 90W的直流电动机， 头部则嵌入了两个相同的电动机。 为了检测上体的平衡情况， 使用了 3个陀螺仪 和1 个3轴加速度传感器。同年，美国Segway公司开发了世界上第一部能够自平衡的两轮电动车，时 速高达20Km/h。该电动车把人们从传统的“三点平衡”和以低重心、大而稳的 底盘设计来避免倾斜的束缚中解脱出来。 通过检测车体的角度和角速度， 用适当 的回复转矩来避免倾斜摔倒。Segway使用的是航空级陀螺仪、一组倾斜传感器

9、、 一套复杂的“直觉软件” 、一个加速度计、十个微处理器、两个镍氢电池组、一 台电动机和每秒检测一百多次驾驶者重心的传感器。2007年，日本早稻田大学的 RyoWatanabe在Legway的启发下设计制作了NXTway，美国麻省理工学院的几名学生设计制作出了一台自平衡小车，中心处 理器采用PIC单片机。以上是国内外两轮自平衡机器人和自平衡代步车的研究现状。 这些机器人和 代步车对本课题的研究提供了很好的指导作用。 为下面的研究工作提供了很好的1.2 本文研究的主要内容本文研究主要的内容包括：1）双轮自平衡机器人的物理建模；2） 对几种常用的直流有刷电机驱动电路进行分析对比，选取一款合适的电

10、机驱动电路；3） 对几种常用的测量电机转速的方法进行分析和对比，选取一种合理的测 量电机转速的方案；4） 仔细研究系统中使用的多个不同电压值的电源，对常用的稳压电路进行 分析和对比，选取一种合适的电源方案；5）研究PID算法的基本原理，并将PID算法应用在直流有刷电机的控制中；6） 对几种常用的陀螺仪和加速度计等惯性元件的性能进行分析对比，并深 入研究互补对称滤波数据融合技术，选出合适的陀螺仪和加速度计；7）采用Altium Designer软件绘制电路原理图和 PCB板，搭建STM32最小 硬件系统，利用 RVMDK V4.2 编译调试软件，以及 STM32 固件库完成 STM32 的软件开

11、发；8） 仔细研究系统中各个模块之间的通信协议以及实现方法，选取合适的通2. 理论分析2.1自平衡小车的物理建模图2-1单轴双轮自平衡机器人的受力示意图机器人受力分解图如图2-1所示。其中规定质心为O,水平方向为x垂直方 向为y，机器人支架中心轴线规定为轴 m，与其垂直方向的轴线规定为n，二为 机器人的偏角。机器人本质不稳定，车体倾斜的原因源于重力在水平方向的分量。 为了保持平衡，机器人x方向的驱动力f必须等于或大于重力沿着水平方向x轴的分力fH。当机器人实现动态平衡时，水平方向的推力fF(t)二彷。由图2-1得，重力沿着水平方向的分量为：fH (t) = (M m)g tan ：( 2-1)

12、电机产生的水平方向的驱动力f (t)为：Kgf(t) -(t)( 2-2)R其中，R为车轮半径，Kg减速比，(t)电机扭矩。如果已知电机的最大扭矩，可求得单轴双轮自平衡机器人达到动态平衡时的 倾角为：(2-3)f(t)(M m)g将电机的最大扭矩.max代入式2-2，可以得到最大驱动力fmax，再将f max代 入式2-3可得到单轴双轮自平衡机器人的最大可控角度ax。上面的计算是在系统没有动能损失的情况下，即小车在调整平衡过程中没有运动，如果考虑这些因 素，系统的控制范围要小一些，因此可以最终确定系统的控制范围为：(2-4)以上的物理建模完成了对单轴双轮自平衡机器人的受力分析和最大可控角 度推

13、导，旨在为PID控制提供理论指导2 .2 PID控制技术PID 是比例(Proportion)、积分(Integration)、微分(Differentiation)的英文缩写。PID控制技术是工程应用中最为广泛的调节器控制规律，简称PID控制或PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，其结构简单、稳定性好、工作可靠、 调整方便，因而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完 全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控 制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID控制技术最 为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能

14、通过有效的测量手段 来获得系统参数时，最适合用 PID控制技术。当被控对象的结构和参数不能完全掌握， 或得不到精确的数学模型时，控制 理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试 来确定，这时应用PID控制技术最为方便。而本系统是一个复杂的非线性系统， 其约束条件不确定，很难通过物理建模直接得到系统的精确数学模型。因此本系 统中选用的控制策略为PID算法图3-1 PID控制系统原理图如图3-1所示PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算 出控制量进行控制的。其中r(t)为给定值，y(t)为系统的实际输出值，给定值 与实际输出值构成控制偏差e(t)e(t

15、) = y(t) - r(t)(3-1)e(t)作为PID控制的输入，y(t)作为PID控制器的输出和被控对象的输入。所 以模拟PID控制器的控制规律为：1 tde(t)u(t)二 Kpe(t) 0e(t)dt Td (3-2)Ti dt其中：Kp 控制器的比例系数Ti 控制器的积分时间，也称积分系数Td 控制器的微分时间，也称微分系数将偏差的比例(Proportion)、积分(Integral)和微分(Differential)通过线 性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称PID控制器。由于计算机的出现，计算机进入了控制领域。人们将模拟PID控制规律引入到计算机中来

16、。对式3-2的PID控制规律进行适当的变换，就可以用软件实现 PID控制，即数字PID控制。数字PID可分为：位置式PID算法和增量式PID 算法。本系统是一个基于嵌入式微处理器的数字控制系统，因此引入的PID为数字式PID，再结合本系统的特性，最终选取了增量式PID算法为本系统的核心 控制策略。所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量 .suk4。当执行机 构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式PID控制算法进行控制。增量式PID可以表达为：Uk =Uk -Uk4 =KpG-Sr Te1 N jf*iMciriiT*iir niL nJJE&lkM2dMK

17、*益 WITK1IWWTW-1: nskiw i nTDfl qriirioq1nuWU飪WFPIVU1WL- M Alww-品 irtrawL* mwTWC 2 hW 3-U :WTMFli MHPMT MTU HFL皿鼻 IMbtH JUJ 林 aJIT* IHVSWHWMO MtKtCS fflOKJLJ- IWtIM. JMll fBT MW WTek心rizi i.删3 F!I*T KM hu EbM H U-Nh& 曲 ID* tMgD pwrm* EiMm 曲 iLiLH* pwac iUQvrnu cwnw.ii 中 HWCHI jSvi.i tMUbwu JMinau m P

18、WMTUTi-Sr -KI* 4TD in id RJIfaW. 4 FC IMW 心 NllZMIf m Hll iNL ML14 3 rGKYHWC NCF-l IfKK：职 :HiMEK： w STM Nit?f* 1-frtML Mlt： FTYiW MWflIT WO i* 删|HNWE NCil KUrIW- L.1X RmHT加ART!*CMmbi-HT CKIUHM- E JDOa. LNfHMJ EETXKm OL n iBIIHABII 出I B JUU.EC FAi-un.aFn msk-th l iwFwM-|W4V MIth*TIHTBUVBCrHAI liiJJ.T

19、 I Cl生4MXTEU1 CWUW3H fAlWr WJTI IKITMI E LTt EJtWH I 诡他 I 如fcMJP rrTrw rMtonm Kfe llM rn-KIEI Or AR IM C*&iro H K.WZC unLirM CHinExu a- w -t 鈕ipPC* RTfWw- rMh Rjsair incra BfHM- AIK nAllnaip-K!lkHML_DliRKiHMi- nilTflinfcfr DI9in7Irr*Uli.|i.!卜4IIEFA 3WirfwFC；耳EL：w m*K6kt rcz PZvrvv图5-5 STM32主控板原理图（部分

20、）图5-6 为 STM32F103ZET6 的时钟电路，OS1为高速时钟，为STM32F103ZET6内核和外部设备提供工作时钟。OS2为一个低频晶振，为STM32F103ZET6提供实时时钟。图5-7为STM32F103ZET6的复位电路，采用积分型复位电路，复位为低 电平有效，此电路具有上电复位和按键复位的功能。JTAGIDO1RSTTO5TCKHim roT24SE3101121415U171S20HAGIIDGND图5-6 STM32主控板时钟电路图5-7 STM32复位电路图5-8 STM32 JTAG仿真接口电路图5-8为STM32的JTAG仿真接口电路，在一个复杂系统中，软件调试

21、往 往很花费时间，如果系统上留有 JTAG接口，可以通过JTAG对系统进行在线调试，可以让程序单步执行，从而可以查看程序的运行路径，很容易定位软件中的 逻辑错误，提高开发效率。3.1.3电机驱动模块通过近一段时间的研究，直流有刷电机的正反转驱动电路常用的有以下四种9，下面就对他们的特性进行分析。方案一：继电器搭建的H桥电路；图5-9继电器H桥电路在大功率电机驱动中继电器实现的 H桥电路是一种性价比很高的设计方案， 它能承受的电流很大，同时能实现编程控制电机的正反转。 但是继电器动作过程 中有机械运动，所以其能达到的响应速度不高，继电器的典型响应时间为2ms,不适合高速的应用场合。同时继电器的触

22、点容易产生火花，影响继电器的寿命。 方案二：L298搭建的直流电机驱动电路L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和 四相电机的专用驱动器，内含二个 H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收 标准TTL逻辑电平信号，可驱动 46V、2A以下的电机。用L298搭建的电机驱 动电路的稳定性很好，但是其能承受的电流比较小。图5-10 L298直流电机驱动电路方案三：大功率MOS管搭建的H桥电路CC-3图5-11大功率MOS管H桥电路这个电路是在研究单轴双轮自平衡小车的时候自行设计的电机驱动电路，两个PMOS和两个NMOS管搭建了一个H桥，为了防止PMOS和NMOS同时导 通

23、形成短路现象，利用LM324形成互锁的驱动机制，使没一边的PMOS和NMOS 始终只有一个处于导通状态。但是在测试的时候发现MOS管还是发烫，经过仔细分析发现，原因是LM324的输出端得电平变化沿不是陡峭，既两个MOS管存 在同时导通的现象，虽然这个过程十分的短暂，但是短路电流很大，所以MOS管发烫。改进办法是在 NMOS管和地之间插入一个 NMOS管。在LM324电平 转变的时候先是插入的NMOS管截至。这样就防止了短路发生，MOS也不发烫 了。方案四： 基于BTS7960的H桥驱动电路-R-至-4丰圭亠!-.亠-?3間 M. WI|-|鬲吟ammr q.H OUT3 iKT图5-12BTS

24、7960 H桥驱动电路智能功率芯片BTS7960是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯片，它带 有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边 MOSFET和一个驱动IC， 集成的驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、 过压、欠压、过流及短路保护的功能。BTS7960通态电阻典型值为16mQ,驱动电流可达43A。上图是由四个BTS7960搭建的一个双电机驱动电路，可同时 驱动两个直流有刷电机。通过对上面四个电路特性分析和对比后发现，继电器 H桥电路的响应速度 太慢无法满足本系统的实时性要求；L298电机驱动电路其电流驱动那能力太差， 无法满足本系统功率要求；大功率

25、MOS管H桥电路，性能很不错，但是体积过 大，不利于潜入到本系统中；本系统选取了性能稳定的基于BTS7960的H桥驱动电路作为电机的驱动电路。BTS7960的H桥驱动电路采用了模块化设计，将 STC12C5A60S2单片机集 成到驱动板上，四个BTS7960芯片直接受STC12C5A60S2的控制， STC12C5A60S2E通过串口从STM32主控板接收到电机控制命令后，产生相应 的电机驱动电路控制时序。电机调速采用脉冲宽度调制（PWM）方式实现，PWM是利用微处理器的数字 输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。本系统中，PWM主要

26、用于电机调速，属于PWM 在功率控制中的应用。STC12C5A60S2单片机含有两路硬件 PWM发生器，可以 产生最高频率为150KHZ的PWM调制输出。STC12C5A60S2的PWM输出引脚 为P1.3和P1.4,将这两引脚连接到BTS7960芯片的INH引脚上，只需在软件中 设置比较寄存器CCAP0H、CCAP0L进行设置就可以完成PWM调制。3.1.4码盘测速模块为了精确地控制电机的转动，为 PID控制算法提供反馈信号，必须对电机 的转速进行测量。常用的非接触转速的测量方法有两种，一种是利用霍尔传感器， 另一种方案是利用光电码盘10。霍尔传感器感应的是磁场强度的变化，需要和 磁钢配合使

27、用才能完成对转速的测量；它的优点是能工作于灰尘多等恶劣的环境 中，它的不足之处是做高精度的测量时，需要大量的磁钢，安装麻烦。光电码盘 利用反射式红外传感器进行测量，码盘的制作和传感器安装都比较容易， 但是涉 及到了光电器件，在多灰尘等恶劣环境中无法正常工作。考虑到本系统是用于实 验室环境，所以选取光电码盘方式对电机的转速进行测量。图4-13光电测速码盘根据控制精度的要求，采用60线的码盘作为测速码盘，如图5-13所示，码 盘的基板采用ABS板制作，作用黑色记号笔画上线条。图5-14为光电码盘测速模块的电路原理图，反射式红外传感器ST188的发射管发射出红外光进过码盘的反射后进入ST188的红外

28、接收管，接收管按上图中的接法偏置后，在接收到红外光信号时ST188的C管脚上的电压将会降低，当没有接收到红外光信号时， ST188的C管脚呈现高电平。一般的情况下按图 5-14中电路配置，ST188的C 管脚输出的低电平可以直接触发单片机的中断，但是为了增加系统的稳定性，在红外传感ST188和STC1仆04E之间加入了一个电压比较器 LM324对ST188的C 管脚输出的信号进行二值化，得到一个脉冲序列。当码盘转动的时候就可以形成 如图5-15所示的脉冲序列，用单片机对脉冲序列进行计数，将该数值除以对应 的时间就可以求的电机的转动速度。单片机完成每次的速度检测后通过串口把速 度数据发送给主控微

29、处理器。I-Cc图4-1 4光电码盘测速模块电路图*可F-4一圭蚩am.mmMJ-n-wn:*LZ图4-15二值化红外传感器测速信号3.1.5倾角检测模块MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于 批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。本系统中采用了 MEMS类型的加速传感器和陀螺仪两个传感器构成，以下是对它们的详细介绍：1加速度传感器Freescale公司的MMA8451Q是14位/8位智能低功耗三轴数字加速度计，工 作电压1.95V-3.6V,接口电压1.6V-3.6V,动态可选择满刻度为 吃g

30、/ g/ g输出数 据速率(ODR)从1.56 Hz至V 800 Hz,噪音为99 ug/ VHz,14位和8位数字输出, MMA8451使用I2C串行通信和外部交换数据,由于MMA7260加速度传感器可 准确测量三轴向下降、倾斜、移动、定位、撞击和震动，因此主要用在电子罗盘， 静态姿态、运动检测，笔记本电子书等便携设备的翻滚、自由落体检测，实时的 方向检测可用于虚拟现实设备或 3d游戏中的位置检测，便携设备的节能应用中 的运动检测等等。表5-1引脚定义如下：引脚编号引脚名称引脚描述引脚状态1VDDIO内部电源供电(1.623.6v)输入2BYP旁路电容输入3NC悬空引脚开路4SCLI2C串行

31、时钟漏极开路5GND接地输入6SDAI2C串行数据漏极开路7SA0r I2C最低有效位地址输入8NC悬空引脚开路9INT2:中断请求引脚2输出10GND接地输入11INT1中断请求引脚1输出12GND接地输入13NC悬空引脚开路14VDD电源(1.953.6v)输入15NC悬空引脚开路16NC悬空引脚开路MMA8451Q有四种可选加速度范围，分别对应不同的灵敏度，以适应不同 的应用环境和系统要求，配置参数表5-2所示。设置方法通过IIC总线接口想XYZ数据设置寄存器XYZ_DATA_CFG写入相应的值。MMA8451Q的写操作器 件地址为0011100,读操作器件地址为 0011101。表5-

32、2 MMA8451Q模式配置参数:FS1FS0量程002g014g108g11保留2陀螺仪ENC 03RC，是日本村田公司(murata)开发生产的一款以陶瓷材料为主要原料的角速度传感器，又名陀螺仪，该产品是一种应用科氏力原理的角速度传感器，它输出一个和角速度成正比的模拟电压信号。芯片特性：1）供电电压：2.75.25V2）最大角速度 deg./sec.+/-3003）输出（当角速度=0）:1.35 V4）比例系数：0.67 mV/deg./sec5）线性度：+/-5%FS6）响应频率：50 Hz7）重量：0.4g如图5-17所示，左侧的三个为ENC-03RC,其输出的角速度信号经过滤波 和放

33、大后被引到了模块的输出引脚上，由主控模块对此信号进行 AD转换，得到 数字化的加速度值，对角速度积分就可以求取角度。右侧的为电源稳压电路和 AMM4851Q加速度传感器。AMM4851Q加速度传感器是数字接口器件，可以通过IIC总线协议设置AMM4851Q的工作模式和读取角度值。CS图5-17加速度传感器和陀螺仪构成的倾角检测模块电路原理图3.1.6人机交互模块炬11即丄占图5-18人机交互模块原理图J.匚t-“亠-4一畳哙VICKPI 1 T1EX用沖血PLJKd ADLPLJK.2 AD2XK-. 4 AD4Pl 0.M1SDK.S ADSPI. 3OC.K.fe ADtRST. AD-內

34、3朋口EAK LTXDALE KR.MBSDTnK7AL5PJATfrMJLfHps a/ait.Pl 4 AL：PJ./.JLDP0- ALL?TAL3 3CTALIRO亠土豈壬-f -3-M L 2如图5-18所示，人机交互模块由STC12C5A60S2单片机、Nokia 5110液晶、 矩阵键盘构成。Nokia 5110液晶用于显示系统当前的状态，如当前时间、速度、 倾角、电量等信息；矩阵键盘用于时间等用户初始化信息的调整。用户输入信息 先有单片机缓存，在用户确定之后通过串口发送给主控模块STM32 ;液晶屏显示的数据是STM32通过串口发送给单片机的。单片机完成了液晶屏的驱动14、矩阵

35、键盘的扫描，这样不会消耗主处理器的资源，减轻了主控制器的程序设计难 度。3.1.7通信模块本系统采用了模块化设计方案，将整个单轴双轮自平衡小车自顶向下的划分为主 控器STM32模块，人机交互模块，陀螺仪模块、加速度传感器模块、电机驱动 模块、光电码盘测速模块。主控模块采用了STM32微处理器，其他的模块都采用宏晶公司的51内核的单片机实现。在设计通信协议的时候为了方便起见，加 速度传感器和STM32主控板之间的通信采用了 IIC通信协议。考虑到本系统使 用的宏晶公司的51内核单片机基本上都有硬件串口，而且STM32有5个USART 所以人机交互模块、电机驱动模块、光电码盘测速模块与STM32主控模块之间的数据交换全部采用串口通信方式进行，波特率设置为9600,数据位为8位，无奇偶校验。3.2软件设计方案软件部分也采用模块化设计方法，先在各个硬件模块上完成相应功能的程序 模块的设计，之后再添加通信模块，并将各子模块挂在STM32上进行联调。人机交互模块，光电 码盘测速 模块，电机驱动模块 所使用的微控制器 都是 STC12C5A60S2单片机，主要就是驱动一些常用的外部设备， 所以编程相对来说 比较容易。而STM32要进行互补对称滤波数据融合以及