雙輪直立智能機器人平衡控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p><b>　　2012屆畢業(yè)生</b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計說明書</b></p><p>　　題 目: 雙輪直立智能機器人平衡系統(tǒng)設(shè)計 </p><p><b>　　目 次</b><

2、;/p><p><b>　　1 概述1</b></p><p>　　1.1 輪式智能機器人的研究背景及意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3課題研究內(nèi)容2</p><p><b>　　2總體設(shè)計方案3</b></p>

3、<p>　　2.1雙輪智能平衡機器人的工作原理3</p><p>　　2.2機器人平衡控制系統(tǒng)方案分析4</p><p>　　3微控制器和檢測電路設(shè)計5</p><p>　　3.1 S08微控制器5</p><p>　　3.2角度和角速度檢測模塊7</p><p>　　3.3速度傳感器9<

4、;/p><p>　　4驅(qū)動電路及電源模塊設(shè)計10</p><p>　　4.1微型直流電機10</p><p>　　4.2電機驅(qū)動模塊10</p><p>　　4.3電源模塊設(shè)計11</p><p><b>　　5軟件設(shè)計12</b></p><p>　　5.1 S08

5、AW60微控制器資源配置12</p><p>　　5.2 PID控制原理14</p><p>　　5.3 程序設(shè)計15</p><p><b>　　總結(jié)19</b></p><p><b>　　1 概述 </b></p><p>　　1.1 輪式智能機器人的研究背景及

6、意義</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人類進入了數(shù)字化、智能化時代，計算機科學(xué)和控制理論的發(fā)展為人類制造高度智能的仿真機器人提供了可能。專家預(yù)言，二十一世紀將是機器人的時代。從上個世紀八十年代開始，機器人技術(shù)逐漸形成了一個比較系統(tǒng)的科學(xué)體系，它將力學(xué)、機械學(xué)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、控制理論和算法等學(xué)科融為一體，不斷吸收其它相關(guān)學(xué)科的最新研究成果，形成了一門獨立的高科技學(xué)科。</p&g

7、t;<p>　　移動機器人是現(xiàn)代機器人中的一個重要的分支，它能夠根據(jù)指定的命令，自主運動到特定位置，具備對工作環(huán)境的感知和自我適應(yīng)、運動的實時決策以及自身的行為控制等功能，它具有很高的軍事、商業(yè)價值[1]。近年來，移動機器人已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，幾乎滲透到各個行業(yè)，所實現(xiàn)的功能也是越來越復(fù)雜，例如應(yīng)用于核電站、軍事應(yīng)用、宇宙探索、防災(zāi)救災(zāi)、危險品運輸、地形勘探、海洋開發(fā)等。輪式移動機器人作為移動機器人的一個重要分支。輪式移動

8、機器人比較適合在狹窄和大轉(zhuǎn)角場合工作，因此輪式移動機器人的實用價值和理論價值都非常高[2]。 </p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　在二十世紀八十年代末，日本東京電信大學(xué)自動化系的山藤一雄教授最早提出了雙輪直立自平衡機器人的設(shè)計思想，并于1996年在日本通過了專利申請。如圖1-1所示，機器人沿固定軌道行走，不能實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎等動作。所以其研究并沒有受到太多人的重視。直

9、到本世紀初，人們才重新關(guān)注兩輪直立平衡機器人，各國開始研發(fā)自己的兩輪智能平衡機器人。國外的開發(fā)的機器人占了絕大部分，處于領(lǐng)先地位，國內(nèi)的機器人主要還處在理論研究階段，只開發(fā)了少數(shù)的原型機[3]。</p><p>　　圖1-1 早期自平衡機器人</p><p><b>　　1.3課題研究內(nèi)容</b></p><p>　　本課題研究的主要內(nèi)容是微型

10、直流電動機的控制與驅(qū)動，雙輪直立智能平衡機器人的平衡控制系統(tǒng)兩方面內(nèi)容。</p><p>　　雙輪智能平衡機器人的平衡控制系統(tǒng)采用S08單片機作為控制器，采用傾角傳感器和加速度傳感器組成姿態(tài)傳感器來檢測車體平臺的傾斜角度和傾倒速率，運用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)控制驅(qū)動直流電機；姿態(tài)傳感器的檢測輸出為反饋信號輸送給控制器，根據(jù)反饋信號采用PID控制算法調(diào)節(jié)控制器輸出的PWM脈寬的占空比，從而改變直流電機的轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)系統(tǒng)的

11、平衡。</p><p><b>　　2總體設(shè)計方案</b></p><p>　　兩輪直立智能平衡機器人根據(jù)運動特性可分為機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩個主要部分，其中控制系統(tǒng)主要包括：電機、驅(qū)動電路、姿態(tài)檢測系統(tǒng)、電源電路以及MCU 控制器等。本設(shè)計主要研究智能平衡機器人的控制系統(tǒng)，其主要的任務(wù)是：檢測機器人車體傾倒的角度和角速度，以及直流電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，調(diào)節(jié)機器人行進的速度

12、以實現(xiàn)機器人系統(tǒng)的平衡控制。</p><p>　　2.1雙輪智能平衡機器人的工作原理</p><p>　　將雙輪直立平衡機器人系統(tǒng)簡化成放置在可以左右移動的車輪上的倒立擺模型，如圖2-1所示。它具有三個自由度，分別是：以傾斜角度θ為描述對象，繞x旋轉(zhuǎn)；以?為描述對象，繞z旋轉(zhuǎn)；以和為描述對象，沿y軸方向的位置移動。其中，θ為機器人體的傾斜角度，?為機器人的旋轉(zhuǎn)角度，機器人左輪的移動速度為，

13、表示機器人右輪的移動速度[5]。</p><p>　　圖2-1 兩輪直立平衡機器人模型</p><p>　　假設(shè)系統(tǒng)的參數(shù)為：為機器人體質(zhì)量，左右輪的質(zhì)量為，為機器人體轉(zhuǎn)動慣量，以表示繞機器人體質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量；為輪子的轉(zhuǎn)動慣量，R為輪子的半徑，為機器人體質(zhì)心到兩輪軸間的距離，為兩輪間距的一半。系統(tǒng)的總動能包括機器人體的轉(zhuǎn)動動能，平動動能，左右輪的轉(zhuǎn)動動能和平動動能，以及車輪繞軸轉(zhuǎn)動的動能[

14、6]。它們的表達式分別如下式所示：</p><p><b>　　系統(tǒng)的總動能</b></p><p>　　依據(jù)對雙輪直立機器人的動力學(xué)和運動學(xué)分析可知：控制機器人車模直立平衡的條件是能夠精確測量車模傾角的大小和傾倒角速度的大小以及可以控制車輪的加速度。</p><p>　　2.2機器人平衡控制系統(tǒng)方案分析</p><p>

15、;　　根據(jù)雙對輪直立智能機器人的動力學(xué)和運動學(xué)分析設(shè)計平衡控制系統(tǒng)。雙輪直立智能機器人的平衡控制系統(tǒng)采用S08微控制器作為控制系統(tǒng)的核心控制器，采用傾角傳感器 和加速度傳感器組成姿態(tài)傳感器來檢測車體平臺的傾斜角度和傾倒速率，采用光電碼盤測量機器人的行進速度，運用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)控制直流電機；姿態(tài)傳感器的檢測輸出為反饋信號輸送給控制器，根據(jù)反饋信號采用PID控制算法調(diào)節(jié)控制器輸出的PWM脈寬的占空比，從而改變伺服電機的轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)系統(tǒng)的平

16、衡。，雙輪直立智能機器人平衡系統(tǒng)的組成如下圖2-2所示：</p><p>　　圖2-2平衡控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　3微控制器和檢測電路設(shè)計</p><p>　　3.1 S08微控制器</p><p>　　Freescale半導(dǎo)體公司的8位MC9S08AW60微控制器有特性如下[8]：</p><p><

17、b>　　中央處理器單元</b></p><p>　　?高達40MHz CPU時鐘頻率和20MHz內(nèi)部總線頻率,工作電壓為4.5V至5.5V，且溫度范圍為-40℃到85℃。</p><p>　　?最多擁有32個中斷/復(fù)位源。</p><p>　　?多達62KB片上可編程Flash存儲器，具有模塊保護和安全選項功能。</p><p&

18、gt;　　?長達2KB的RAM（內(nèi)存）。</p><p>　　?安全電路防止未經(jīng)授權(quán)的訪問內(nèi)存和閃存內(nèi)容。</p><p><b>　　省電模式與系統(tǒng)保護</b></p><p>　　?兩種停止節(jié)電模式和一種等待節(jié)省模式。</p><p>　　?允許時鐘保持啟用特定外設(shè)站模式。</p><p>　

19、　?低壓檢測復(fù)位或中斷。</p><p>　　?非法操作碼檢測復(fù)位。</p><p>　　?非法地址檢測復(fù)位。</p><p><b>　　?閃光塊保護。</b></p><p><b>　　時鐘源的選擇</b></p><p>　　?可連接外部振蕩器（XOSC），晶體或陶瓷

20、諧振器的低頻范圍是31.25KHz到39.0625KHz，其高頻范圍是1MHz至16MHz。</p><p>　　?可選的看門狗復(fù)位，微控制器工作正常重置選項專用1千赫的內(nèi)部時鐘源和時鐘總線。</p><p><b>　　輸入/輸出</b></p><p>　　?具有6個通用I/O端口。</p><p>　　?I/O引腳

21、用做輸入端時，可軟件選擇上拉電阻；用做輸出端時，可軟件選擇強/弱驅(qū)動能力和壓擺率。</p><p>　　圖3-1 MC9S08微控制器最小系統(tǒng)電路圖</p><p>　　3.2角度和角速度檢測模塊</p><p>　　加速度傳感器MMA7260 采用信號調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補償技術(shù)。該器件帶有低通濾波和0g 補償，提供休眠模式，低功耗，性能穩(wěn)定，抗震動能力強[

22、9]。因而是電池供電的無線數(shù)據(jù)采集的理想之選。</p><p>　　SCA610-CA1H1G傾斜角度傳感器是VTI公司采用電容式3D-MEMS技術(shù)設(shè)計、生產(chǎn)的陀螺式傾斜角度傳感器。此傾斜角度傳感器具有顯著的負載能力和非常好的沖擊耐久性，并且在全溫度區(qū)都能表現(xiàn)出它卓越的可靠性，超凡的穩(wěn)定性和高精度[10]，單電源供電壓+5V，模擬電壓輸出范圍4.75V--5.25V ，測量量程±1g（±90度

23、），八引腳塑料表貼封裝，增強的失效檢測功能，數(shù)字激活式電氣自我檢測功能，校正存儲器的奇偶校驗核實功能，連續(xù)連接失效檢測功能，傳感組件的頻率響應(yīng)可控，兼容ROHS標準，支持無鉛焊。機器人車體的傾斜角度和由SCA610-CA1H1G直接輸出，角速度可由角度信息微分得到，再依據(jù)MMA7260的輸出對角度和角速度進行補償矯正，從而得到精確且穩(wěn)定的角速度和角度信息。綜合考慮，本設(shè)計選擇由MMA7260和SCA610-CA1H1G組成的角度檢測傳感

24、器。</p><p>　　可以根據(jù)邏輯輸入引腳g-Select1和g-Select2的輸入電平選擇MMA7260的靈敏度（見表3-1）。依據(jù)MMA7260的說明書，圖3-2中阻容濾波電路的選擇電阻,電容。高精度單軸傾斜角度傳感器SCA610-CA1H1G接線如圖3-3所示,圖中電阻,電容,電容。</p><p>　　表3-1 MMA7260的控制引腳g-Select與靈敏度選擇</p

25、><p>　　圖3-2 MMA7260典型接線圖</p><p>　　圖3-3 SCA610-CA1H1G接線圖</p><p>　　雙輪直立機器人所采用的姿態(tài)角度檢測系統(tǒng)主要由加速度計MMA7260、傾角傳感器SCA610-CA1H1G、S08微控制器、濾波電路等部分組成。姿態(tài)檢測系統(tǒng)的硬件平臺如圖3-4,由微處理器S08對SCA610-CA1H1G和MMA7260的

26、輸出進行高速A/D采樣后,對傾斜角度和角速度數(shù)據(jù)進行處理和補償, 由加速度計MMA7260對傾角傳感器SCA610-CA1H1G進行補償矯正得到準確的姿態(tài)角度信號,再通過微分得到系統(tǒng)傾倒的角速度，此位置信息再通過PID控制器運算,輸出PWM 信號,進而對電機進行控制。</p><p>　　圖3-4 姿態(tài)角度檢測系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　3.3速度傳感器</b&g

27、t;</p><p>　　速度傳感器采用固定在直流電機輸出軸上的光電碼盤，如圖3-5所示。由于光電碼盤輸出數(shù)字脈沖信號，因此可以直接將這些脈沖信號連接到微控制器S08的計數(shù)器端口。每個光電管輸出兩個脈沖信號，通過S08的計數(shù)器檢測一路脈沖信號的頻率得到電機的轉(zhuǎn)速。由于其輸出的兩個脈沖信號波形相同，只是相位相差90°，如果電機正轉(zhuǎn)，第二個脈沖落后90°；如果電機反轉(zhuǎn)，第二個脈沖超前90°

28、;；因此還可以判斷電機的正反轉(zhuǎn)[13]。</p><p>　　圖3-5光電碼盤測速電路</p><p>　　4驅(qū)動電路及電源模塊設(shè)計</p><p><b>　　4.1微型直流電機</b></p><p>　　微型直流電機的效率一般都要高于其他類型的電機，且在相同的輸出功率的情況下直流電機體積一般都比較小，合適應(yīng)用在空間

29、位置有限的場合，微型直流電機可以根據(jù)負載大小自動調(diào)速，以達到極大的啟動扭矩。交流電機就很難實現(xiàn)這一功能。另外直流電機比較容易吸收負載大小的突變，電機轉(zhuǎn)速可以自動適應(yīng)負載大小的波動。微型直流電機易于與計算機連接采用PWM技術(shù)控制。</p><p>　　無刷直流電機雖然沒有機械電刷和換向器的直流電機，它的輸出力矩正比于電流，速度正比于電壓，反電勢正比于電機轉(zhuǎn)速，因此其控制特性與機械特性均與普通直流電機基本相同[7]。

30、但是無刷直流電機的控制系統(tǒng)復(fù)雜，所以雙輪直立機器人采用微型直流電機作為動力系統(tǒng)。</p><p><b>　　4.2電機驅(qū)動模塊</b></p><p>　　用L298N驅(qū)動直流電機的電路如圖4-1，輸出端OUT1、OUT2驅(qū)動直流電機。IN1、IN2、IN3、IN4引腳從S08微控制器接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)，使能控制端ENA,ENB用于PWM控制，圖中電容

31、,電容。橋式驅(qū)動電路L298N采用PWM技術(shù)實現(xiàn)電機調(diào)速,不僅電路簡單而且調(diào)速范圍大。當(dāng)無須調(diào)速時，可將調(diào)速控制端引腳ENA,ENB接5V，使電機工作在高速狀態(tài)，則電機的旋轉(zhuǎn)方式與輸入信號控制端IN1、IN2、IN3、IN4的電平的關(guān)系如表4-1：</p><p>　　表4-1電機旋轉(zhuǎn)方式與輸入信號端的電平的關(guān)系</p><p>　　圖4-1 L298N驅(qū)動微型直流電動機的電路圖</

32、p><p><b>　　4.3電源模塊設(shè)計</b></p><p>　　智能直立機器人使用的電源由6節(jié)相同型號的電池串聯(lián)起來而得到7.2V、2A/h可充電電池組提供，直流電機使用7.2V蓄電池直接供電。雖然S08微控制器系統(tǒng)，姿態(tài)傳感器模塊和光電碼盤均需5V電源供電，但是S08微控制器系統(tǒng)要求供電電源穩(wěn)定、紋波小以及線性度好，所以選用LM2940穩(wěn)壓電路單獨對其進行供電，

33、如圖4-2所示，圖中電容,電容。而傳感器模塊要求供電電源有較大的電流、較高的轉(zhuǎn)換效率、帶負載能力強，則選擇LM2596穩(wěn)壓電路進行供電，如圖4-3所示。利用LM2940對S08微控制器系統(tǒng)供電，采用LM2596對檢測模塊供電，可以有效地防止各器件之間產(chǎn)生干擾，和電流不足的問題，使得系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作。</p><p>　　圖4-2 LM2940穩(wěn)壓電路</p><p>　　圖4-3 LM2

34、596穩(wěn)壓電路</p><p><b>　　5軟件設(shè)計</b></p><p>　　5.1 S08AW60微控制器資源配置</p><p>　　S08AW60的通用I\O可通過設(shè)置相應(yīng)的寄存器使其具有輸入、輸出、內(nèi)部上拉選擇、斜率控制及驅(qū)動強度控制等功能。選擇I\O端口工作方式的控制寄存器有端口數(shù)據(jù)方向寄存器PTxDD，端口數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)寄存器PTx

35、D，內(nèi)部上拉控制寄存器PTxPE及驅(qū)動強度選擇寄存器PTxDS等。S08的端口控制字的含意如表5-1：</p><p>　　表5-1 S08的I\O端口控制字</p><p>　　光電碼盤的輸出脈沖信號連接到S08微控制器的定時器PTM2的PTF4，PTF5引腳，定時器PTM2工作在計數(shù)模式，定時器PTM1工作在定時模式產(chǎn)生PWM輸出。選擇端口A做為輸出通道，PTA0至PTA3引腳與電機驅(qū)

36、動模塊L298N的輸入信號端IN1到IN4連接控制直流電機的正反轉(zhuǎn)，其寄存器選擇見表5-2。選擇端口E的PTE2、PTE3引腳為PWM輸出端與L298N的調(diào)速控制端引腳ENA、ENB連接，其寄存器選擇見表5-3。</p><p>　　表5-2端口A的寄存器選擇</p><p>　　表5-3端口E的寄存器選擇</p><p>　　選擇端口D的PTD0、PTD1、PTD

37、2引腳為輸出端分別連接MMA7260的sleep-mode、g-Select1和g-Select2引腳，其寄存器選擇見表5-4。選擇端口B為模擬量的輸入通道，PTB0、PTB1、PTB2引腳分別連接MMA7260的XOUT、YOUT和ZOUT引腳；PTB3引腳連接SCA610的VOUT端；端口B的數(shù)據(jù)寄存器選擇AD1P，數(shù)據(jù)方向寄存器設(shè)置為PTBDD0=0，PTBDD1=0，PTBDD2=0，及PTBDD3=0。</p>

38、<p>　　表5-4端口D的寄存器選擇</p><p>　　5.2 PID控制原理</p><p>　　在反饋控制系統(tǒng)中PID控制的基本形式如圖4-1，模擬PID控制規(guī)律如下[15]：</p><p>　　式中，誤差函數(shù)，為比例增益，為積分時間常數(shù)，為微分時間常數(shù)。</p><p>　　圖5-1 PID控制的基本形式</p&g

39、t;<p>　　各環(huán)節(jié)的作用如下[17]：</p><p>　　比例環(huán)節(jié)：迅速反應(yīng)誤差，減小誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例作用太強會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。</p><p>　　積分環(huán)節(jié)：積累誤差，最終消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用太強會增大系統(tǒng)的超調(diào)量，使系統(tǒng)過渡過程變長。</p><p>　　微分環(huán)節(jié)：超前控制，克服系統(tǒng)的慣性，加快動態(tài)響應(yīng)，減小超調(diào)量，提高穩(wěn)

40、定性。微分作用太強會引起輸出失真。</p><p>　　由于計算機控制是離散型數(shù)字控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控量。因此，模擬PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化而得到數(shù)字PID控制算法。數(shù)字PID控制算法主要有位置型和增量型兩種算法。其中增量型控制算法的特點有：增量僅與最近幾次采樣值有關(guān)，累積誤差小；控制量以增量輸出，誤動作影響小，且不會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象；可以實現(xiàn)手動與自動的無沖擊切換。所以，本設(shè)

41、計采用增量型控制算法，設(shè)采樣周期為T，則有：</p><p><b>　　每步的控制量：</b></p><p><b>　　因為：</b></p><p>　　所以增量型控制量為：</p><p><b>　　式中，,,。</b></p><p>&l

42、t;b>　　5.3 程序設(shè)計</b></p><p>　　雙輪智能直立機器人平衡控制系統(tǒng)的軟件部分實現(xiàn)的主要功能有：融合處理傾角傳感器和加速度傳感器反饋的信息，以得到機器人車體傾倒的角度和角速度的精確值；依據(jù)車體的位置信息和行進方向，采用增量型PID控制算法調(diào)節(jié)PWM輸出的占空比，改變直流電機轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)機器人的平衡，主程序流程如圖4-2所示。</p><p>　　圖5-2

43、主程序流程圖</p><p>　　PWM控制子程序依據(jù)光電碼盤輸出脈沖信號測量電機的轉(zhuǎn)速和行進方向，判斷機器人車體傾倒方向與行進方向是否一致，采用增量型PID控制算法計算調(diào)整PWM的占空比并輸出驅(qū)動電機進行調(diào)節(jié)，如圖4-3所示。</p><p>　　圖5-3 PWM控制子程序</p><p>　　傳感器信息融合與處理子程序主要是通過S08微控制器內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換模塊對

44、SCA610-CA1H1G單軸傾角傳感器和MMA7260加速度傳感器的信號進行AD轉(zhuǎn)換，得到離散的電壓信號，依據(jù)傳感器說明書進行計算而得到機器人體傾斜的精確角度和角速度，如圖5-4所示。</p><p>　　圖5-4信息處理子程序</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　該雙輪直立機器人的平衡控制系統(tǒng)以MC9S08AW6

45、0微控制器做為核心控制器，以MMA7260和SCA610-CA1H1G檢測機器人車體的傾斜角度和角速率，以橋式驅(qū)動電路L298N采用PWM控制技術(shù)驅(qū)動微型直流電動機，采用光電碼盤檢測電機轉(zhuǎn)速。綜合電子技術(shù)、電機拖動技術(shù)、測控電路以及微控制器應(yīng)用技術(shù)設(shè)計平衡控制系統(tǒng)原理圖，采用PROTEI99SE繪制測控系統(tǒng)電路圖。依據(jù)計算機控制技術(shù)和PID控制理論設(shè)計系統(tǒng)軟件，以MMA7260和SCA610-CA1H1G檢測的傾斜角度和角速率為反饋信息

46、輸送給MC9S08AW60，采用PID控制算法調(diào)節(jié)PWM的占空比，改變電機轉(zhuǎn)速以機器人系統(tǒng)的直立平衡。</p><p>　　該平衡控制系統(tǒng)以機器人車體的傾斜角度和角速率為控制對象，沒有充分考慮雙輪直立機器人的轉(zhuǎn)向控制和速度控制，在機器人轉(zhuǎn)彎或受到強干擾時系統(tǒng)不一定能保持平衡。</p><p>　　經(jīng)過幾個月的努力，在王威教授的指導(dǎo)下，完成了雙輪直立機器人平衡控制系統(tǒng)的設(shè)計。雖然設(shè)計方案不盡