雙輪直立智能機(jī)器人平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

2、;/p><p><b>　　1 概述1</b></p><p>　　1.1 輪式智能機(jī)器人的研究背景及意義1</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3課題研究?jī)?nèi)容2</p><p><b>　　2總體設(shè)計(jì)方案3</b></p>

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

4、;/p><p>　　4驅(qū)動(dòng)電路及電源模塊設(shè)計(jì)10</p><p>　　4.1微型直流電機(jī)10</p><p>　　4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊10</p><p>　　4.3電源模塊設(shè)計(jì)11</p><p><b>　　5軟件設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)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(jìn)入了數(shù)字化、智能化時(shí)代，計(jì)算機(jī)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(jī)器人提供了可能。專家預(yù)言，二十一世紀(jì)將是機(jī)器人的時(shí)代。從上個(gè)世紀(jì)八十年代開(kāi)始，機(jī)器人技術(shù)逐漸形成了一個(gè)比較系統(tǒng)的科學(xué)體系，它將力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(dú)立的高科技學(xué)科。</p&g

7、t;<p>　　移動(dòng)機(jī)器人是現(xiàn)代機(jī)器人中的一個(gè)重要的分支，它能夠根據(jù)指定的命令，自主運(yùn)動(dòng)到特定位置，具備對(duì)工作環(huán)境的感知和自我適應(yīng)、運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)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(jià)值[1]。近年來(lái)，移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，幾乎滲透到各個(gè)行業(yè)，所實(shí)現(xiàn)的功能也是越來(lái)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(xiǎn)品運(yùn)輸、地形勘探、海洋開(kāi)發(fā)等。輪式移動(dòng)機(jī)器人作為移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。輪式移動(dòng)

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

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

10、直流電動(dòng)機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)，雙輪直立智能平衡機(jī)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(jī)器人的平衡控制系統(tǒng)采用S08單片機(jī)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(lái)檢測(cè)車體平臺(tái)的傾斜角度和傾倒速率，運(yùn)用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)控制驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)；姿態(tài)傳感器的檢測(cè)輸出為反饋信號(hào)輸送給控制器，根據(jù)反饋信號(hào)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(jī)的轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的

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

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

13、表示機(jī)器人右輪的移動(dòng)速度[5]。</p><p>　　圖2-1 兩輪直立平衡機(jī)器人模型</p><p>　　假設(shè)系統(tǒng)的參數(shù)為：為機(jī)器人體質(zhì)量，左右輪的質(zhì)量為，為機(jī)器人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以表示繞機(jī)器人體質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，R為輪子的半徑，為機(jī)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(dòng)能包括機(jī)器人體的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，平動(dòng)動(dòng)能，左右輪的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能和平動(dòng)動(dòng)能，以及車輪繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能[

14、6]。它們的表達(dá)式分別如下式所示：</p><p><b>　　系統(tǒng)的總動(dòng)能</b></p><p>　　依據(jù)對(duì)雙輪直立機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可知：控制機(jī)器人車模直立平衡的條件是能夠精確測(cè)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(jī)器人平衡控制系統(tǒng)方案分析</p><p>

15、;　　根據(jù)雙對(duì)輪直立智能機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析設(shè)計(jì)平衡控制系統(tǒng)。雙輪直立智能機(jī)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(lái)檢測(cè)車體平臺(tái)的傾斜角度和傾倒速率，采用光電碼盤測(cè)量機(jī)器人的行進(jìn)速度，運(yùn)用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)控制直流電機(jī)；姿態(tài)傳感器的檢測(cè)輸出為反饋信號(hào)輸送給控制器，根據(jù)反饋信號(hào)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(jī)的轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平

16、衡。，雙輪直立智能機(jī)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(cè)電路設(shè)計(jì)</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(dá)40MHz CPU時(shí)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(gè)中斷/復(fù)位源。</p><p>　　?多達(dá)62KB片上可編程Flash存儲(chǔ)器，具有模塊保護(hù)和安全選項(xiàng)功能。</p><p&

18、gt;　　?長(zhǎng)達(dá)2KB的RAM（內(nèi)存）。</p><p>　　?安全電路防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)內(nèi)存和閃存內(nèi)容。</p><p><b>　　省電模式與系統(tǒng)保護(hù)</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(shí)鐘保持啟用特定外設(shè)站模式。</p><p>　

19、　?低壓檢測(cè)復(fù)位或中斷。</p><p>　　?非法操作碼檢測(cè)復(fù)位。</p><p>　　?非法地址檢測(cè)復(fù)位。</p><p><b>　　?閃光塊保護(hù)。</b></p><p><b>　　時(shí)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(xiàng)專用1千赫的內(nèi)部時(shí)鐘源和時(shí)鐘總線。</p><p><b>　　輸入/輸出</b></p><p>　　?具有6個(gè)通用I/O端口。</p><p>　　?I/O引腳

21、用做輸入端時(shí)，可軟件選擇上拉電阻；用做輸出端時(shí)，可軟件選擇強(qiáng)/弱驅(qū)動(dòng)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(cè)模塊</p><p>　　加速度傳感器MMA7260 采用信號(hào)調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補(bǔ)償技術(shù)。該器件帶有低通濾波和0g 補(bǔ)償，提供休眠模式，低功耗，性能穩(wěn)定，抗震動(dòng)能力強(qiáng)[

22、9]。因而是電池供電的無(wú)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(jì)、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(fù)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(cè)量量程±1g（±90度

23、），八引腳塑料表貼封裝，增強(qiáng)的失效檢測(cè)功能，數(shù)字激活式電氣自我檢測(cè)功能，校正存儲(chǔ)器的奇偶校驗(yàn)核實(shí)功能，連續(xù)連接失效檢測(cè)功能，傳感組件的頻率響應(yīng)可控，兼容ROHS標(biāo)準(zhǔn)，支持無(wú)鉛焊。機(jī)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(duì)角度和角速度進(jìn)行補(bǔ)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(jì)選擇由MMA7260和SCA610-CA1H1G組成的角度檢測(cè)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(jiàn)表3-1）。依據(jù)MMA7260的說(shuō)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(jī)器人所采用的姿態(tài)角度檢測(cè)系統(tǒng)主要由加速度計(jì)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(cè)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)如圖3-4,由微處理器S08對(duì)SCA610-CA1H1G和MMA7260的

26、輸出進(jìn)行高速A/D采樣后,對(duì)傾斜角度和角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和補(bǔ)償, 由加速度計(jì)MMA7260對(duì)傾角傳感器SCA610-CA1H1G進(jìn)行補(bǔ)償矯正得到準(zhǔn)確的姿態(tài)角度信號(hào),再通過(guò)微分得到系統(tǒng)傾倒的角速度，此位置信息再通過(guò)PID控制器運(yùn)算,輸出PWM 信號(hào),進(jìn)而對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。</p><p>　　圖3-4 姿態(tài)角度檢測(cè)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(jī)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(hào)，因此可以直接將這些脈沖信號(hào)連接到微控制器S08的計(jì)數(shù)器端口。每個(gè)光電管輸出兩個(gè)脈沖信號(hào)，通過(guò)S08的計(jì)數(shù)器檢測(cè)一路脈沖信號(hào)的頻率得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于其輸出的兩個(gè)脈沖信號(hào)波形相同，只是相位相差90°，如果電機(jī)正轉(zhuǎn)，第二個(gè)脈沖落后90°；如果電機(jī)反轉(zhuǎn)，第二個(gè)脈沖超前90°

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

29、位置有限的場(chǎng)合，微型直流電機(jī)可以根據(jù)負(fù)載大小自動(dòng)調(diào)速，以達(dá)到極大的啟動(dòng)扭矩。交流電機(jī)就很難實(shí)現(xiàn)這一功能。另外直流電機(jī)比較容易吸收負(fù)載大小的突變，電機(jī)轉(zhuǎn)速可以自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載大小的波動(dòng)。微型直流電機(jī)易于與計(jì)算機(jī)連接采用PWM技術(shù)控制。</p><p>　　無(wú)刷直流電機(jī)雖然沒(méi)有機(jī)械電刷和換向器的直流電機(jī)，它的輸出力矩正比于電流，速度正比于電壓，反電勢(shì)正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速，因此其控制特性與機(jī)械特性均與普通直流電機(jī)基本相同[7]。

30、但是無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)復(fù)雜，所以雙輪直立機(jī)器人采用微型直流電機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)。</p><p><b>　　4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊</b></p><p>　　用L298N驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的電路如圖4-1，輸出端OUT1、OUT2驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。IN1、IN2、IN3、IN4引腳從S08微控制器接輸入控制電平，控制電機(jī)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(dòng)電路L298N采用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速,不僅電路簡(jiǎn)單而且調(diào)速范圍大。當(dāng)無(wú)須調(diào)速時(shí)，可將調(diào)速控制端引腳ENA,ENB接5V，使電機(jī)工作在高速狀態(tài)，則電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方式與輸入信號(hào)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(jī)旋轉(zhuǎn)方式與輸入信號(hào)端的電平的關(guān)系</p><p>　　圖4-1 L298N驅(qū)動(dòng)微型直流電動(dòng)機(jī)的電路圖</

32、p><p><b>　　4.3電源模塊設(shè)計(jì)</b></p><p>　　智能直立機(jī)器人使用的電源由6節(jié)相同型號(hào)的電池串聯(lián)起來(lái)而得到7.2V、2A/h可充電電池組提供，直流電機(jī)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(dú)對(duì)其進(jìn)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(fù)載能力強(qiáng)，則選擇LM2596穩(wěn)壓電路進(jìn)行供電，如圖4-3所示。利用LM2940對(duì)S08微控制器系統(tǒng)供電，采用LM2596對(duì)檢測(cè)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(wèn)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(jì)</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(guò)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(dòng)強(qiáng)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(dòng)強(qiáng)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(hào)連接到S08微控制器的定時(shí)器PTM2的PTF4，PTF5引腳，定時(shí)器PTM2工作在計(jì)數(shù)模式，定時(shí)器PTM1工作在定時(shí)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(jī)驅(qū)

36、動(dòng)模塊L298N的輸入信號(hào)端IN1到IN4連接控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，其寄存器選擇見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)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(qiáng)會(huì)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(qiáng)會(huì)增大系統(tǒng)的超調(diào)量，使系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程變長(zhǎng)。</p><p>　　微分環(huán)節(jié)：超前控制，克服系統(tǒng)的慣性，加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)，減小超調(diào)量，提高穩(wěn)

40、定性。微分作用太強(qiáng)會(huì)引起輸出失真。</p><p>　　由于計(jì)算機(jī)控制是離散型數(shù)字控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)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(diǎn)有：增量?jī)H與最近幾次采樣值有關(guān)，累積誤差??；控制量以增量輸出，誤動(dòng)作影響小，且不會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象；可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)的無(wú)沖擊切換。所以，本設(shè)

41、計(jì)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?yàn)椋?lt;/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(jì)</b></p><p>　　雙輪智能直立機(jī)器人平衡控制系統(tǒng)的軟件部分實(shí)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(jī)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(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)機(jī)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(hào)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速和行進(jìn)方向，判斷機(jī)器人車體傾倒方向與行進(jìn)方向是否一致，采用增量型PID控制算法計(jì)算調(diào)整PWM的占空比并輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)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(guò)S08微控制器內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換模塊對(duì)

44、SCA610-CA1H1G單軸傾角傳感器和MMA7260加速度傳感器的信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，得到離散的電壓信號(hào)，依據(jù)傳感器說(shuō)明書進(jìn)行計(jì)算而得到機(jī)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(jī)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(cè)機(jī)器人車體的傾斜角度和角速率，以橋式驅(qū)動(dòng)電路L298N采用PWM控制技術(shù)驅(qū)動(dòng)微型直流電動(dòng)機(jī)，采用光電碼盤檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速。綜合電子技術(shù)、電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)、測(cè)控電路以及微控制器應(yīng)用技術(shù)設(shè)計(jì)平衡控制系統(tǒng)原理圖，采用PROTEI99SE繪制測(cè)控系統(tǒng)電路圖。依據(jù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和PID控制理論設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件，以MMA7260和SCA610-CA1H1G檢測(cè)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(jī)轉(zhuǎn)速以機(jī)器人系統(tǒng)的直立平衡。</p><p>　　該平衡控制系統(tǒng)以機(jī)器人車體的傾斜角度和角速率為控制對(duì)象，沒(méi)有充分考慮雙輪直立機(jī)器人的轉(zhuǎn)向控制和速度控制，在機(jī)器人轉(zhuǎn)彎或受到強(qiáng)干擾時(shí)系統(tǒng)不一定能保持平衡。</p><p>　　經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的努力，在王威教授的指導(dǎo)下，完成了雙輪直立機(jī)器人平衡控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。雖然設(shè)計(jì)方案不盡