PID控制在地面轮式机器人中的运用-AGV吧

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。

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。

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。

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。