单球轮移动机器人控制器的设计与实现-答辩

单球轮移动机器人控制器的设计与实现XXG20128259

XX副教授工程硕士单接触点多自由度以球体为驱动轮全方位移动CONCEPT球上自平衡机器人对比普通轮式机器人占地面积小全方向移动人机交互更灵活对于科研本身多变量强耦合非线性RESEARCHMEANING理想实验平台课题内容主体步进电机全向轮驱动球机械结构设计控制器硬件设计主体姿态解算控制算法研究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

X电机1电机2电机3

底盘步进电机万向轮α=120°β=45°底盘孔洞中心对称，重心过球心结构分层，便于放置硬件步进电机步进电机驱动器机器人控制器万向轮塑料底盘

机器人控制板步进电机驱动器PVB塑料板QL万向轮步进电机控制器硬件设计单球轮移动机器人控制器的设计与实现机器人供电姿态信息采集步进电机控制数据存储与上位机通讯供电供电RS232接口RS232接口I2C接口三轴角速度数据三轴加速度数据PWM脉冲微控制器（MCU）

步进电机驱动器步进电机机器人本体六轴姿态传感器数据存储TF卡姿态显示上位机WIFI模块

控制调试上位机

电压变换

36V供电电压SDIO接口姿态检测模块步进电机控制电路内存卡电源电路STM32WIFI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陀螺仪数据处理姿态角度融合测量主体偏移平衡位置的角度测量主体空间移动的角速度横滚角俯仰角加速度模参数加速度计陀螺仪低通/均值滤波卡尔曼/均值滤波姿态解算四元数/欧拉角互补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受到电机振动干扰的加速度计X轴原始数据曲线切比雪夫I型滤波器滤波后的X轴数据曲线切比雪夫I型低通滤波器阶数：n=3通带允许最大衰减αp=1dB阻带最小衰减αs=30dB通带截止频率约为ωp=5Hz阻带下限截止频率约为ωs=15Hz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开启电机并运动时，绕X轴旋转角速度原始数据曲线开启电机并运动时，绕X轴旋转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互补滤波自适应参数其中互补滤波生成横滚角曲线控制算法研究单球轮移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，力矩控制困难系统模型复杂，建模工作量大模糊PD算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实际范围论域范围量化/比例因子输入角度[-5°,

+5°][-6,-5,…,5,6]1.2输入角速度[-0.5rad/s,+0.5rad/s][-6,-5,…,5,6]12输出Kp[0,20][0,1,2,…,6]10/3输出Kd[0,5][0,1,2,…,6]5/6输入量E的隶属度函数曲线Kp与输入量E、EC的关系图Kd与输入量E、EC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开发工具：KeiluVision3.0开发语言：C语言系统时钟周期：1.672ms软件组成系统初始化接口通讯程序姿态数据处理程序运动控制程序数据存储程序5V电源3.3V电源36V电源WIFI电源硬件上电测试姿态解算测试电机驱动测试WIFI通讯测试数据存储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结论以STM32为控制核心，传感器MPU6050为检测装置，步进电机为驱动装置，模糊PD算法进行控制，能够有效实现对单球轮移动机器人的平衡控制；问题传感器滤波、融合算法需要改进；模糊PD算法需要进一步优