雙輪機器人平衡控制系統(tǒng)設計

1、2012屆畢業(yè)生畢業(yè)設計說明書題 目:雙輪直立智能機器人平衡系統(tǒng)設計目次1 概述 31.1 輪式智能機器人的研究背景及意義 31.2 國內外研究現(xiàn)狀 31.3 課題研究內容 42 總體設計方案 42.1 雙輪智能平衡機器人的工作原理 52.2機器人平衡控制系統(tǒng)方案分析 63 微控制器和檢測電路設計 73.1 S08 微控制器 73.2 角度和角速度檢測模塊 83.3 速度傳感器 114 驅動電路及電源模塊設計 124.1 微型直流電機 124.2 電機驅動模塊 124.3 電源模塊設計 135 軟件設計 145.1 S08AW60 微控制器資源配置 145.2 PID 控制原理 165.3 程

2、序設計 17總結 211 概述1.1 輪式智能機器人的研究背景及意義隨著科學技術的迅速發(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， 機器人技術逐漸形成了一 個比較系統(tǒng)的科學體系，它將力學、機械學、電子技術、傳感器技術、計算機技 術、控制理論和算法等學科融為一體，不斷吸收其它相關學科的最新研究成果， 形成了一門獨立的高科技學科。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、 運動的實

3、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)得到廣泛的應用， 幾乎滲透到各個行業(yè)， 所實現(xiàn)的功能也是越來越復雜， 例如 應用于核電站、軍事應用、宇宙探索、防災救災、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。 輪式移動機器人比較 適合在狹窄和大轉角場合工作， 因此輪式移動機器人的實用價值和理論價值都非 常高2 。1.2 國內外研究現(xiàn)狀在二十世紀八十年代末， 日本東京電信大學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

4、道行走，不能實現(xiàn)轉彎等動作。所以其研究并沒有 受到太多人的重視。 直到本世紀初， 人們才重新關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 領先地位，國內的機器人主要還處在理論研究階段，只開發(fā)了少數(shù)的原型機圖1-1早期自平衡機器人1.3課題研究內容本課題研究的主要內容是微型直流電動機的控制與驅動，雙輪直立智能平衡 機器人的平衡控制系統(tǒng)兩方面內容。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PWN脈寬調制技術控制驅動直流電機；姿態(tài)傳感

5、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速以實現(xiàn)系統(tǒng)的平衡。2總體設計方案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、驅動電路、姿態(tài)檢測系統(tǒng)、電源電路以 及MCU控制器等。本設計主要研究智能平衡機器人的控制系統(tǒng)，其主要的任務 是:檢測機器人車體傾倒的角度和角速度，以及直流電機的轉速和轉向，調節(jié)機器人行進的速度以實現(xiàn)機器人系統(tǒng)的平衡控制。2.1雙輪智能平衡機器人的工作原理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

6、。它具有三個自由度，分別是：以傾斜角度B為描述對象，繞x旋轉；以？為描述對象，繞z旋轉；以V1和Vr為描述對象，沿y軸方向的位 置移動。其中，B為機器人體的傾斜角度，？為機器人的旋轉角度，機器人左輪 的移動速度為Vi，Vr表示機器人右輪的移動速度0圖2-1兩輪直立平衡機器人模型假設系統(tǒng)的參數(shù)為：m為機器人體質量，左右輪的質量為mi mr， J為機表示繞機器人體質心的轉動慣量;Ji J r為輪子的轉動器人體轉動慣量，以J慣量，R為輪子的半徑,L為機器人體質心到兩輪軸間的距離,f為兩輪間距的半。系統(tǒng)的總動能包括機器人體的轉動動能 Ti，平動動能T2，左右輪的轉動動能T3和平動動能T4，以及車輪繞軸

7、轉動的動能T50它們的表達式分別如下式所示:1 2 2 2 m VxVyVzT5系統(tǒng)的總動能T Ti T2 T31212T32mw2mVr1.21. 2T4Jr rJl l221j21mmr f2 222T4T5r 2L2sin2Leos2.2 . 2L sinR2l2 E j2mlmr f依據(jù)對雙輪直立機器人的動力學和運動學分析可知：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。2.2機器人平衡控制系統(tǒng)方案分析根據(jù)雙對輪直立智能機器人的動力學和運動學分析設計平衡控制系統(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)

8、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PW脈寬調制技術控制直 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控制算法調節(jié)控制器輸出的PW脈寬的占空比，從而改變伺服電機的轉速以 實現(xiàn)系統(tǒng)的平衡。，雙輪直立智能機器人平衡系統(tǒng)的組成如下圖 2-2所示：圖2-2平衡控制系統(tǒng)框圖3微控制器和檢測電路設計3.1 S08微控制器Freescale半導體公司的8位MC9S08AW微控制器有特性如下：中央處理器單元?高達40MHZCPU寸鐘頻率和20MHZ內部總線頻率,工作電壓為4.5

9、V至5.5V,且溫度范圍為-40 C到85 C。?最多擁有32個中斷/復位源。?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。?長達2KB的RAM（內存）。?安全電路防止未經(jīng)授權的訪問內存和閃存內容。省電模式與系統(tǒng)保護?兩種停止節(jié)電模式和一種等待節(jié)省模式。?允許時鐘保持啟用特定外設站模式。?低壓檢測復位或中斷。?非法操作碼檢測復位。?非法地址檢測復位。?閃光塊保護。時鐘源的選擇?可連接外部振蕩器（XOSC,晶體或陶瓷諧振器的低頻范圍是 31.25KHZ到39.0625KHZ,其高頻范圍是 1MHz至 16MHz?可選的看門狗復位，微控制器工作正常重置選項專用1千赫的內部時

10、鐘源和時鐘總線。輸入/輸出?具有6個通用I/O端口。?I/O引腳用做輸入端時，可軟件選擇上拉電阻；用做輸出端時，可軟件選 擇強/弱驅動能力和壓擺率。SW sps-VDDR2GNDGNDY口卜C5 XT ALGNDPOWER2GNDVDD4IC1I+ C3C2GNDR1Vrefh MC9S08,VDDADPTA0PTA1PTA2.VSSADPTA3 VREFLPTB0 VDDPTB1PTB2,VSSPTB3PTD0,RESETPTD1PTD2XTALPTE2PTE3PTF4EXTALPTF5圖3-1 MC9S08微控制器最小系統(tǒng)電路圖3.2角度和角速度檢測模塊加速度傳感器MMA726C采用信號調

11、理、單極低通濾波器和溫度補償技術。 該器件帶有低通濾波和Og補償，提供休眠模式，低功耗，性能穩(wěn)定，抗震動能 力強9。因而是電池供電的無線數(shù)據(jù)采集的理想之選。SCA610-CA1H1傾斜角度傳感器是 VTI公司采用電容式3D-MEM技術設計、 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 ，測量量程土 1g（ 90度），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

12、測功能，傳感組件的頻率響應可控，兼容ROHSS準，支持無鉛焊。機器人車體的傾斜角度和由 SCA610-CA1H1直接輸出，角速度可由角度信息微分得到，再依據(jù)MMA726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，本設計選擇由 MMA7260口 SCA610-CA1H1組成的角度檢測傳感器?？梢愿鶕?jù)邏輯輸入引腳g-Select1和g-Select2的輸入電平選擇MMA726的靈 敏度（見表3-1 ）。依據(jù)MMA726的說明書，圖3-2中阻容濾波電路的選擇電阻R 1K ,電容C 0.1 F。高精度單軸傾斜角度傳感器SCA610-CA1H1接線如圖3-3所示

13、,圖中電阻R 1K ,電容G 0.1 F ,電容C。 47nF。表3-1 MMA7260的控制引腳g-Select與靈敏度選擇g-Select1g-Select2量程靈敏度輸入電平001.5g800mV/g102g600mV/g014g300mV/g116g200mV/gVDDVCCC4接S08的B 口R1RES1XOUTVSSGNDGND C1C2R2RES1YOUTsleepmodeg-sslect1GDg-sslect2GNDC3R3RES1ZOUTMMA7260圖3-2 MMA7260典型接線圖V CCT連接S08GNDSC A61 081726354C0接S08的D 口GND圖 3-

14、3 SCA610-CA1H1G接線圖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MMA726、傾角傳感器SCA610-CA1H1GS08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-CA1H1和 MMA726的輸出進行高 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-CA1H1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。圖3-4姿態(tài)角度檢測系統(tǒng)框圖3.3速度傳感器速度傳感器采用固定

15、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，第二個脈沖落后90;如果電機反轉，第二個脈沖超前90。；因此還可以判斷電機的正反轉13。右輪5V):嚴、圖3-5光電碼盤測速電路定比器引腳前出眥中innr4驅動電路及電源模塊設計4.1微型直流電機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，合適應用在空間位置

16、有限的場合， 微型直流電機可以根據(jù)負載大小自動調速，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， 電機轉速可以自動適應負載大小的波動。微型直流電機易于與計算機連接 采用PW技術控制。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 。但是無刷直流電機的控制系統(tǒng)復雜，所以雙輪直 立機器人采用微型直流電機作為動力系統(tǒng)。4.2電機驅動模塊用L298N驅動直流電機的電路如圖4-1，輸出端0UT1、0UT2驅動直流電 機。IN1、IN2、IN3、

17、IN4引腳從S08微控制器接輸入控制電平，控制電機的正 反轉，使能控制端ENA,ENB用于PWM控制，圖中電容C1 C3100 F ,電容C2 C4 0.1 F。橋式驅動電路L298N采用PWM技術實現(xiàn)電機調速,不僅電路 簡單而且調速范圍大。當無須調速時，可將調速控制端引腳 ENA, ENB接5V， 使電機工作在高速狀態(tài)，則電機的旋轉方式與輸入信號控制端 IN1、IN2、IN3、 IN4的電平的關系如表4-1:表4-1電機旋轉方式與輸入信號端的電平的關系電機旋轉方式控制端IN1控制端IN1控制端IN3控制端IN4正高低M1停低低正M2停低低圖4-1 L298N驅動微型直流電動機的電路圖4.3電

18、源模塊設計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，如圖4-2所示，圖中電容0 C3100 F ,電容C2 C40.1 F。而傳感器模塊要求供電電源有較大的電流、較高的轉換效率、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

19、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。C2iNDOUTGL* C3* T5V-C4LM2 940j* gnDGND圖4-2 LM2940穩(wěn)壓電路C ff7.2V ”一V*NFBD 0N NG 0OUTLM2 59 6C inR2LM2 596 -5VR34 CoutLEDGNDGND圖4-3 LM2596穩(wěn)壓電路5軟件設計5.1 S08AW60微控制器資源配置S08AW60的通用IO可通過設置相應的寄存器使其具有輸入、輸出、內部上拉選擇、斜率控制及驅動強度控制等功能。選擇IO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PTxD，內

20、部上拉控制寄 存器PTxPE及驅動強度選擇寄存器PTxDS等。S08的端口控制字的含意如表5-1：表5-1 S08的lO端口控制字寄存器名寄存器值端口功能PTxDD0輸入端口1輸出端口PTxPE0內部上拉關閉1內部上拉使能PTxDS0低驅動強度1高驅動強度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，其寄存器選擇見表5-2。選擇端口 E的PTE2、PTE3

21、引腳為PWM輸出端與L298N的調速控制端引腳ENA、 ENB連接，其寄存器選擇見表5-3。表5-2端口 A的寄存器選擇寄存器名PTADD0PTADD1PTADD2PTADD3寄存器值1111寄存器名PTADS0PTADS1PTADS2PTADS3寄存器值1111表5-3端口 E的寄存器選擇寄存器名PTEDD2PTEDD3PTEDS2PTEDS3寄存器值1111選擇端口 D的PTD0、PTD1、PTD2引腳為輸出端分別連接 MMA7260的 sleep-mocb、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

22、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)方向寄存器設置為 PTBDD0=0，PTBDD1=0，PTBDD2=0， 及 PTBDD3=0。表5-4端口 D的寄存器選擇寄存器名PTDDD0PTDDD1PTDDD2PTDDS0PTDDD1PTDDD2寄存器值1110005.2 PID控制原理在反饋控制系統(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:u t KP etet dtTi 0Tddetdt式中，誤差函數(shù)et r t y t，心為比例增益，T|為積分時間常數(shù)，Td為微

23、分時間常數(shù)。被控對象圖5-1 PID控制的基本形式各環(huán)節(jié)的作用如下17:比例環(huán)節(jié)：迅速反應誤差，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。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 量，使系統(tǒng)過渡過程變長。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，減小超調量，提高 穩(wěn)定性。微分作用太強會引起輸出失真。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

24、次采樣值有關，累積誤差??；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，本設計采用增量型控制算法，設采樣周期為 T,則有:每步的控制量：u k u k u k 1因為：u k 1KPe k1 i所以增量型控制量為：u kKP ekek 1K,ekqe kqe k 1q2e k式中，qoK p1丄TD，q112e i KD e k 10KD e k 2e k2Td1 ek 2iz TD,q 2 k p 。5.3程序設計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控制算法調節(jié)PWM 輸