PID控制在地面轮式机器人中的运用

随着互联网技术的飞速发展,各种控制层面的技术开始运用到传统的工业制造中,目前最为引人注目的就是机器人行业。在短短的几十年间,机器人从无到有,已经广泛地应用于工业领域中,也出现了不同种类的机器人,比如工业机器人、服务机器人、特种机器人、家用机器人等。本文关注的是作为交通工具的自动平衡机器人,也就是两轮平衡车。两轮平衡机器人有着持续运动能力强、占地面积小、开发延展性强等特点。2005年,哈尔滨工程大学的尹亮用线性控制的方法制作出了双轮移动机器人。2015年,小米公司推出了两轮代步机器人——9号平衡车。本文将研究一种设计机构更为精简、算法更加优化的两轮平衡机器人。

1 轮式平衡机器人的工作原理探究

1.1两轮平衡机器人的平衡原理

两轮平衡车最让人感兴趣的就是他是如何达到平衡的,如图1所示。M是车的重力,H是车轮的支持力,当M的方向与H的方向相差180°时,此时受力平衡,可以达到稳定不倒的状态,θ角度为0°。但自然界存在各式各样的干扰,θ角度很难为0,只要产生0角,即使角度很小,M的方向与H的方向就会产生角度,合力不为0,根据牛顿运动定律可知,角度将越来越大,直至车体倾倒在地上。
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要使小车不倾倒,就要消除或者将角度控制在一个足够小的范围内,就像把鸡蛋立在桌子上一样,只要这个8角在可接受的范围内,那么小车就不会倾倒了,小车平衡原理流程见图2。
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消除角度最好的方式是通过电机的转动,带动车体下部移动,以保持与车体上部在一水平垂直线上,就像独轮车,如果静止很难立住,但运动起来就可以很容易的达到平衡。

1.2两轮平衡机器人的工作原理

轮式平衡机器人的硬件部分,主要分为两部分。第一部分是机械部分,机械部分包括车上支架、平台、连杆、车轮等,及硬件电路和工作平台:第二部分为控制系统,包括传感器、电池、转换电路、电机、驱动器、处理器以及外围扩展电路等。

在平衡车运动过程中,硅微陀螺主要测量其角速度,而硅微加速度计测量两轮平衡机器人的加速度,所测结果再通过滤波和AD转换后送入单片机。基于STM32单片机的优势,完成采集数据的融合计算和双闭环PID控制算法等]。

2 主要芯片介绍和系统模块硬件设计

2.1主芯片选择

本设计采用STM32F103R8单片机为主控芯片。STM32单片机是ST意法半导体公司生产的32位高性能、低成本和低功耗的增强型单片机。STM32F103R8采用ARM32位Cortex-M3内核,最高时钟频率72MHz,1.25DMIPS/MHz,快速的指令执行速度使主控芯片能够运行复杂的滤波和控制算法,提高控制器的实时控制能力。片内高达64kBFlash和20kBSRAM,为复杂的算法程序提供足够的存储和运行空间。两个12位的16通道模拟/数字转换器(ADC),转换速度高达1Msample/s,ADC支持规则转换序列和注入转换序列两种转换模式,支持DMA植式,转拖结果的估送不需要CPI1王面,提高程启运行效率。

2.2陀螺仪传感器

陀螺仪用来测量物体的旋转角速度。本设计选用MPU-6050。MPU-6050是全球首例9轴运动处理传感器,整合了3轴陀螺仪、3轴加速器,并含可藉由第二个l2C端口连接其他厂牌的加速器、磁力传感器或其他传感器的数位运动处理(DMP:Digital Motion Processor)硬件加速引擎,由主要l2C端口以单一数据流的形式,向应用端输出完整的9轴融合演算技术InvenSense的运动处理资料库,可处理运动感测的复杂数据,降低运动处理运算对操作系统的负荷,并为应用开发提供架构化的API。

MPU-6000(6050)的角速度全格感测范围为士250、士500、士1000与士2000°/sec(dps),可准确追踪快速与慢速动作。用户可程式控制的加速器全格感测范围为士2g、±4g、±8g与士16g。产品传输可透过最高至400kHz的IC或最高达20MHz的SPI(MPU-6050没有SPI)。MPU-6000(6050)可在不同电压下工作,包装尺寸4×4×0.9mm(QFN),在业界是革命性的尺寸。

2.3编码器

编码器是将信号(如比特流)或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号,前者称为码盘,后者称为码尺。按照读出方式,编码器可以分为接触式和非接触式两种:按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号,再把这个电信号转变成计数脉冲,用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码,因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关,而与测量的中间过程无关。

2.4电机选择

本设计采用带有减速齿轮的直流有刷电机。直流有刷电机是内含电刷装置的将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能的旋转电机。区别于直流无刷电机,电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的。直流有刷电机是所有电机的基础,他具有启动快、制动及时、可在大范围内平滑调速、控制电路相对简单等特点,可以满足平衡车对灵敏性的要求]。虽然电机的电刷会使电机的寿命缩短,还会引发电磁干扰,但是由于本设计负载较轻,换向器和电刷的损耗低且小车采用多层机械结构,电机驱动电路与其他电路分离,可以有效降低电磁干扰。

2.5电机驱动电路

本设计中电机采用H桥驱动方式,使用脉宽调制方式调节电机两端电压有效值,达到调速目的。电机驱动电路如图3所示,电路只给出了半桥驱动电路,H桥左右两个桥臂电路完全相同。
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本设计采用MOSFET作为驱动电路的开关器件,MOSFET型号为IRFR1205,开启电压最大值为VGS=4.0V,适合电池供电的应用。由于主控芯片输出信号高电平电压值VOH=3.3V,不能直接驱动MOSFET导通,所以设计了半桥电路,使用International Rectifier公司的IR2302芯片,该芯片为专用的半桥驱动电路。

2.6系统最终方案

芯片选用STM32F103R8为主控芯片,通过IIC接口,获取陀螺仪和加速度传感器的数据,通过对这两种数据的融合分析,测算出机器人小车的位姿,通过PID输出PWM的控制信号,再控制驱动器完成对电机的控制,

3 两轮平衡机器人的双闭环PID控制

3.1两轮平衡机器人的双闭环PID控制原理

常规PID控制的原理:

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