单球轮移动机器人控制器的设计与实现——答辩

1、单球轮移动机器人控制器的设计与实现单球轮移动机器人控制器的设计与实现XXXXG20128259 XXXX 副教授副教授工工 程程 硕硕 士士 单接触点单接触点 多自由度多自由度 以球体为驱动轮以球体为驱动轮 全方位移动全方位移动CONCEPT球上自平衡机器人对比普通轮式机器人对比普通轮式机器人 占地面积小占地面积小 全全方向移动方向移动 人机交互更灵活人机交互更灵活对于科研本身对于科研本身 多变量多变量 强强耦合耦合 非线性非线性RESEARCHMEANING理想实理想实验平台验平台课 题 内 容主体主体步进电机步进电机全向轮全向轮驱动球驱动球机械结构设计机械结构设计控制器硬件设计控制器硬件设

2、计主体姿态解算主体姿态解算控制算法研究控制算法研究系统软件设计系统软件设计单球轮移动机器人控制器的设计与实现机械结构设计单球轮移动机器人控制器的设计与实现Y YX X电机电机1 1电机电机2 2电机电机3 3底盘底盘步进电机步进电机万向轮万向轮=120=120=45=45底盘孔洞底盘孔洞 中心对称，重心过球心中心对称，重心过球心 结构分层，便于放置硬件结构分层，便于放置硬件步进电机步进电机步进电机驱动器步进电机驱动器机器人控制器机器人控制器万向轮万向轮塑料底盘塑料底盘机器人控制板机器人控制板步进电机驱动器步进电机驱动器PVB塑料板塑料板QL万向轮万向轮步进电机步进电机控制器硬件设计单球轮移动机

3、器人控制器的设计与实现 机器人供电机器人供电 姿态信息采集姿态信息采集 步进电机控制步进电机控制 数据存储数据存储 与上位机通讯与上位机通讯供电供电供电供电RS232接口接口RS232接口接口I2C接口接口三轴角速度数据三轴角速度数据三轴加速度数据三轴加速度数据PWM脉冲脉冲微控制器微控制器（MCU）步进步进电机驱电机驱动器动器步步进进电电机机机机器器人人本本体体六轴姿态六轴姿态传感器传感器数据存储数据存储TF卡卡姿态显示姿态显示上位机上位机WIFI模块模块控制调试控制调试上位机上位机电压电压变换变换36V供电供电电压电压SDIO接口接口姿态检姿态检测模块测模块步进电机控制电路步进电机控制电路

4、内存内存卡卡电源电源电路电路STM32WIFIWIFI模块模块USB主体姿态解算单球轮移动机器人控制器的设计与实现 加速度计数据处理加速度计数据处理 陀螺仪数据处理陀螺仪数据处理 姿态角度融合姿态角度融合 测量主体偏移平衡位测量主体偏移平衡位置的角度置的角度 测量主体空间移动的测量主体空间移动的角速度角速度横滚角横滚角俯仰角俯仰角加速度模参数加速度模参数加速度计加速度计陀螺仪陀螺仪低通低通/ /均值均值滤波滤波卡尔曼卡尔曼/ /均均值滤波值滤波姿态解算姿态解算四元数四元数/ /欧拉角欧拉角互补互补滤波滤波主体姿态解算单球轮移动机器人控制器的设计与实现加速度计数据处理 -1234-1230.07

5、609460.2282837z0.2282837z0.0760946z101 2.9484543z2.9000521z0.9515368zH z受到电机振动干扰的加速度计受到电机振动干扰的加速度计X轴原始数据曲线轴原始数据曲线切比雪夫切比雪夫I型滤波器滤波后的型滤波器滤波后的X轴轴数据曲线数据曲线切比雪夫切比雪夫I I型低通滤波器型低通滤波器 阶数：n=3 通带允许最大衰减p=1dB 阻带最小衰减s=30dB 通带截止频率约为p=5Hz 阻带下限截止频率约为s=15Hz滤波器幅频特性曲线滤波器幅频特性曲线主体姿态解算单球轮移动机器人控制器的设计与实现陀螺仪数据处理均值滤波器均值滤波器 1121

6、0/1022311/1019/10FFFXXXXXXXXXNX NX NX N开启电机并运动时，绕开启电机并运动时，绕X轴旋轴旋转角速度原始数据曲线转角速度原始数据曲线开启电机并运动时，绕开启电机并运动时，绕X轴旋转轴旋转角速度经均值滤波后数据曲线角速度经均值滤波后数据曲线主体姿态解算单球轮移动机器人控制器的设计与实现姿态融合cokdtRRRkdtkdt互补滤波互补滤波0.9(0.007 )0.96(0.0070.3 )0.99(0.3 )wgywwagagagaggykakdt222wxyzaaaag自自适应参数适应参数其中其中互补滤波生成横滚互补滤波生成横滚角角曲线曲线控制算法研究单球轮移

7、动机器人控制器的设计与实现 使用步进电机作为驱动电机，使用步进电机作为驱动电机，力矩控制困难力矩控制困难 系统模型复杂，建模工作量系统模型复杂，建模工作量大大模模糊糊PD算算法法控制算法研究单球轮移动机器人控制器的设计与实现属性属性实际范围实际范围论域范论域范围围量化量化/ /比例比例因子因子输入角度输入角度-5,+5-6,-5,5,61.2输入角速度输入角速度-0.5rad/s,+0.5rad/s -6,-5,5,612输出输出Kp0,200,1,2,610/3输出输出Kd0,50,1,2,65/6输入量输入量E的隶属度函数曲线的隶属度函数曲线Kp与输入量与输入量E、EC的关系图的关系图Kd

8、与与输入量输入量E、EC的关系图的关系图系统软件设计单球轮移动机器人控制器的设计与实现系统属性系统属性 开发工具：开发工具：KeiluVision3.0 开发开发语言：语言：C语言语言 系统时钟周期：系统时钟周期：1.672ms软件组成软件组成 系统初始化系统初始化 接口通讯程序接口通讯程序 姿态数据处理程序姿态数据处理程序 运动控制程序运动控制程序 数据存储程序数据存储程序5V电源电源3.3V电源电源36V电源电源WIFI电源电源硬件上电测试硬件上电测试姿态姿态解算解算测试测试电机驱动电机驱动测试测试WIFIWIFI通讯测试通讯测试数据存储数据存储测试测试系 统 测 试单球轮移动机器人控制器的设计与实现机器人平衡测试单球轮移动机器人控制器的设计与实现CONCLUSION结论结论 以以STM32为控制核心，为控制核心，传感器传感器MPU6050为检测装置，步进电为检测装置，步进电机为驱动装置，模糊机为驱动装置，模糊PD算法进算法进行控制，能够有效实现对单球行控制，能够有效实现对单球轮移动机器人的平衡控制；轮移动机器人的平衡控制；问题问题 传感器滤波、融合算法需要改传感器滤波、融合算法需要改进；进； 模糊模糊PD算法需要进一步优化；算法需要进一步优化；使用步进电机作为驱使用