舵機(jī)開題報(bào)告

舵機(jī)開題報(bào)告一、課題任務(wù)與目的1914年美國(guó)人喬治?德沃爾制造出世界上第一臺(tái)可編程的機(jī)器人，即世界上第一臺(tái)真正的機(jī)器人，從此機(jī)器人開始迅猛的發(fā)展，是近幾十年來(lái)快速發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)產(chǎn)品，其涉及自控技術(shù)、電力電子、傳感器、機(jī)械、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和人工智能等多學(xué)科的內(nèi)容。機(jī)器人在我們的生活中越來(lái)越常見了而在發(fā)達(dá)國(guó)家，機(jī)器人的使用范圍已經(jīng)越來(lái)越廣。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)遍及工業(yè)、國(guó)防、宇宙空間、海洋開發(fā)等領(lǐng)域。所以，機(jī)器人已經(jīng)成為人類生活和生產(chǎn)發(fā)展中不可或缺的一部分了隨著科技的發(fā)展?！坝?jì)算機(jī)主導(dǎo)了過(guò)去的20年，而未來(lái)的幾十年屬于機(jī)器人?！泵绹?guó)匹茲堡市卡內(nèi)基.麥農(nóng)大學(xué)機(jī)器人研究所主任麥克歐.卡納德如是說(shuō)。目前，我國(guó)的機(jī)器人發(fā)展正在以一種迅猛的趨勢(shì)在追趕發(fā)達(dá)國(guó)。目前機(jī)器人上廣泛使用舵機(jī)控制。所以舵機(jī)的控制對(duì)機(jī)器人的各種性能有著致關(guān)重要的作用。因此，對(duì)機(jī)器人舵機(jī)控制方法的研究就顯得很有必要。本論文的主要任務(wù)是分析現(xiàn)有舵機(jī)特點(diǎn)和控制方法的基礎(chǔ)上，使用計(jì)算機(jī)仿真的方法，對(duì)舵機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，研究機(jī)器人用舵機(jī)的控制方法，使用單片機(jī)做控制器，完成控制電路設(shè)計(jì)、制作，完成軟件編程，構(gòu)成舵機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的控制。在完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，尋找適合特定要求的控制方法，確定控制參數(shù)，構(gòu)成舵機(jī)控制系統(tǒng)。二、調(diào)研資料1、 機(jī)器人的簡(jiǎn)述機(jī)器人是一種可編程和多功能的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可用電腦改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)。從它的定義上我們可以看出，它既可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，還可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則行動(dòng)。機(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類的一些危險(xiǎn)或是重復(fù)繁瑣的工作。2、 機(jī)器人的組成部分機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人最終完成動(dòng)作的部件。執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)器人本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機(jī)構(gòu)，其中的運(yùn)動(dòng)副（轉(zhuǎn)動(dòng)副或移動(dòng)副）常稱為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通常即為機(jī)器人的自由度數(shù)。根據(jù)關(guān)節(jié)配置型式和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式的不同，機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、極坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式等類型。出于擬人化的考慮，常將機(jī)器人本體的有關(guān)部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部（夾持器或末端執(zhí)行器）和行走部（對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人）等。驅(qū)動(dòng)裝置是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)，借助于動(dòng)力元件使機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作。它輸入的是電信號(hào)，輸出的是線、角位移量。機(jī)器人使用的驅(qū)動(dòng)裝置主要是電力驅(qū)動(dòng)裝置，如步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等。市面上常見的機(jī)器人主要使用伺服電動(dòng)機(jī)對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行控制，所以伺服電動(dòng)機(jī)對(duì)于機(jī)器人的研發(fā)起到重要的作用，因此對(duì)于伺服電動(dòng)機(jī)的研究就顯得非常的重要。這正是該論文的重要性。3、機(jī)器人中的舵機(jī)隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置中誕生了一個(gè)新的詞匯，那就是舵機(jī)，在各式各樣的機(jī)器人中，舵機(jī)逐漸變成了最關(guān)鍵、使用最多的部件。舵機(jī)的定義依據(jù)控制方式的特點(diǎn)，舵機(jī)應(yīng)該稱為微型伺服馬達(dá)。早期在模型上使用最多，主要用于控制模型的舵面，所以俗稱舵機(jī)。用作自動(dòng)控制裝置中執(zhí)行元件的微特電機(jī)，又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。其功能是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度。舵機(jī)的結(jié)構(gòu)舵機(jī)由外殼、電路板、無(wú)核心馬達(dá)、齒輪與位置檢測(cè)器所構(gòu)成。舵機(jī)的外殼：一般是塑料的，特殊的舵機(jī)可能會(huì)有鋁合金外殼。金屬外殼能夠提供更好的散熱，可以讓舵機(jī)內(nèi)的電機(jī)運(yùn)行在更高功率下，以提供更高的扭矩輸出。金屬外殼也可以提供更牢固的固定位置。齒輪箱：有塑料齒輪、混合齒輪、金屬齒輪的差別。塑料齒輪成本底，噪音小，但強(qiáng)度較低；金屬齒輪強(qiáng)度高，但成本高，在裝配精度一般的情況下會(huì)有很大的噪音。小扭矩舵機(jī)、微舵、扭矩大但功率密度小的舵機(jī)一般都用塑料齒輪，如Futaba3003,輝盛的9g微舵。金屬齒輪一般用于功率密度較高的舵機(jī)上，比如輝盛的995舵機(jī)。995在和3003一樣體積的情況下卻能提供13KG的扭矩。Hitec甚至用鈦合金作為齒輪材料，其高強(qiáng)度能保證3003大小的舵機(jī)能提供20幾公斤的扭矩。混合齒輪在金屬齒輪和塑料齒輪間做了折中。工作原理舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。其工作原理是：控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)的控制目前現(xiàn)有的控制方法有：PID控制、自適應(yīng)控制、滑膜變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制PID控制：在以往傳統(tǒng)的控制策略中，經(jīng)典PID控制作為代表，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，所以在伺服控制系統(tǒng)中得到了廣泛地應(yīng)用。然而經(jīng)典PID控制只適合于有精確數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)中存在未知或隨機(jī)變化量時(shí)，這種控制方式就不能取得良好的控制效果，甚至?xí)鹣到y(tǒng)的不穩(wěn)定。自適應(yīng)控制：針對(duì)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)變化、各種非線性的影響，于是出現(xiàn)自適應(yīng)控制［6］現(xiàn)在控制對(duì)象便得越來(lái)越復(fù)雜，當(dāng)人們不知道被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性或者被控對(duì)象發(fā)生了某些不可預(yù)測(cè)的變化時(shí)，為了得到高性能的控制器。從而提出了這種控制方法。自適應(yīng)的控制的控制目的是：使被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或軌跡符合預(yù)定的要求。面對(duì)客觀存在的各種不確定性，它能在控制過(guò)程中，進(jìn)行不停的測(cè)量系統(tǒng)本身的輸入量、狀態(tài)量、輸出量、或者各種動(dòng)態(tài)性能參數(shù)，逐漸的掌握被控對(duì)象的各種信息，并根據(jù)從系統(tǒng)中獲得的參數(shù)，根據(jù)特定的方法，得出控制決策來(lái)改變控制器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和控制作用，一般在某個(gè)性能指標(biāo)下，使控制效果達(dá)到最優(yōu)或近似最優(yōu)。自適應(yīng)控制的優(yōu)點(diǎn)：具有能適應(yīng)壞境變化和滿足系統(tǒng)要求的能力；學(xué)習(xí)能力；在內(nèi)部參數(shù)失敗時(shí)，有恢復(fù)的能力；良好的魯棒性。然而自適應(yīng)控制也存在一定的弊端，如：數(shù)學(xué)模型和運(yùn)算繁瑣，使控制系統(tǒng)復(fù)雜；辨識(shí)和校正都需要一個(gè)過(guò)程，所以對(duì)一些參數(shù)變化較快的系統(tǒng)，會(huì)因?yàn)閬?lái)不及校正而難以產(chǎn)生很好的效果。滑模變結(jié)構(gòu)控制：伺服系統(tǒng)的另一種控制方法一滑模變結(jié)構(gòu)控制。這種控制方法本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制，其非線性體現(xiàn)在控制方法的不連續(xù)性。這種控制策略與其他控制策略的不同之處是控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不固定，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)有目的地進(jìn)行不斷變化，迫使系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)在預(yù)定的滑模面上。因?yàn)榛瑒?dòng)模態(tài)能夠進(jìn)行設(shè)計(jì)，被控對(duì)象參數(shù)的變化也與其無(wú)關(guān)，所以變結(jié)構(gòu)控制具有很多優(yōu)點(diǎn)，如能快速響應(yīng)輸入、參數(shù)變化及給予擾動(dòng)對(duì)其控制影響比較慢等優(yōu)點(diǎn)。而且滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)不需要在線辨識(shí)，而且控制實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單。然而滑膜變結(jié)構(gòu)控制也有它的缺點(diǎn)：當(dāng)狀態(tài)軌跡到達(dá)滑模面后，就不能嚴(yán)格的沿著滑模面運(yùn)動(dòng)向平衡點(diǎn)，而可能使其在滑模面的兩側(cè)來(lái)回穿越，這樣就產(chǎn)生了震蕩。這種震蕩不但會(huì)影響控制的精度，增加資源消耗，而且會(huì)很容易激發(fā)出系統(tǒng)中的高頻未建模動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而破壞系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，甚至使系統(tǒng)失穩(wěn)，損壞控制器部件。因此，關(guān)于變結(jié)構(gòu)控制信號(hào)抖振消除的研究成為變結(jié)構(gòu)控制研究的首要問(wèn)題。模糊控制：由于以上兩種控制方法的缺陷，于是又出現(xiàn)了模糊控制。模糊控制屬于智能控制，模糊控制有三個(gè)基本組成部分：模糊化、模糊決策、精確化計(jì)算。模糊控制過(guò)程簡(jiǎn)單的可以描述為：把被控對(duì)象的測(cè)量值從數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模糊量，然后對(duì)模糊量按給定的模糊邏輯推理規(guī)則進(jìn)行模糊推理，得出模糊控制器控制輸出的推理結(jié)果，再把推理輸出結(jié)果的模糊量轉(zhuǎn)化為實(shí)際系統(tǒng)能夠接受的精確數(shù)字量或者模擬控制量模擬舵機(jī)在現(xiàn)在發(fā)展的機(jī)器人舵機(jī)當(dāng)中，一般普遍應(yīng)用模擬舵機(jī)。模擬舵機(jī)是一個(gè)微型的伺服控制系統(tǒng)，具體的控制原理可以用下圖表示:工作原理是控制電路接收信號(hào)源的控制脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；齒輪組將電機(jī)的速1^3V口-數(shù)縮小，并將電機(jī)的輸出扭矩放大響應(yīng)倍數(shù)，然后輸出；電位器和齒輪組的末級(jí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度；電路板檢測(cè)并根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度。模擬舵機(jī)需要一個(gè)外部控制器產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)來(lái)告訴舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，脈沖寬度是舵機(jī)控制器所需的編碼信息。舵機(jī)的控制脈沖周期20ms，脈寬從0.5ms-2.5ms，分別對(duì)應(yīng)-90度到+90度的位置。雖然模擬舵機(jī)采用反饋控制系統(tǒng)，但它還是存在一定的缺點(diǎn)。模擬舵機(jī)由于使用模擬器件搭建的控制電路，電路的反饋和位置伺服是基于電位器的比例調(diào)節(jié)方式。由于電位器線性度的影響、精度的影響、個(gè)體差異性的問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致控制匹配不了比例電壓，比如我期望得到2.5V的電壓位置，但第一次得到的是2.3V，經(jīng)過(guò)1個(gè)調(diào)節(jié)周期后，電位器轉(zhuǎn)到的位置已經(jīng)是2.6V了，這樣控制電路就會(huì)給電機(jī)一個(gè)方向脈沖調(diào)節(jié)，電機(jī)往回轉(zhuǎn)，又轉(zhuǎn)過(guò)頭，然后又向前調(diào)節(jié)，以至于出現(xiàn)不停的震蕩，這就是所謂抖舵現(xiàn)象。為了避免模擬舵機(jī)所帶來(lái)的缺點(diǎn)，人們正在研究一種新形勢(shì)的舵機(jī)，那就是數(shù)字舵機(jī)。數(shù)字舵機(jī)數(shù)字舵機(jī)區(qū)別于傳統(tǒng)的模擬舵機(jī)，模擬舵機(jī)需要給它不停的發(fā)送 PWM信號(hào)，才能讓它保持在規(guī)定的位置或者讓它按照某個(gè)速度轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)字舵機(jī)則只需要發(fā)送一次PWM信號(hào)就能保持在規(guī)定的某個(gè)位置。因此數(shù)字舵機(jī)的出現(xiàn)得以實(shí)現(xiàn) 48路舵機(jī)控制器的實(shí)現(xiàn).按照舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度分有180度舵機(jī)和360度舵機(jī)。180度舵機(jī)只能在0度到180度之間運(yùn)動(dòng)，超過(guò)這個(gè)范圍，舵機(jī)就會(huì)出現(xiàn)超量程的故障，輕則齒輪打壞，重則燒壞舵機(jī)電路或者舵機(jī)里面的電機(jī)。 360度舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方式和普通的電機(jī)類似，可以連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，不過(guò)我們只可以控制它轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和速度，不能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。數(shù)字舵機(jī)從根本上顛覆了舵機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。數(shù)字和模擬舵機(jī)相比在兩個(gè)方面有明顯的優(yōu)點(diǎn)：1是防抖2是響應(yīng)速度快數(shù)字舵機(jī)可以以很高的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，這個(gè)周期和角度會(huì)變得非常小，并且由于PID調(diào)節(jié)方式的存在，能夠在以很適當(dāng)?shù)腜ID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠讓舵機(jī)有很高的響應(yīng)速度，且不會(huì)出現(xiàn)超調(diào)。三、畢設(shè)初步設(shè)計(jì)設(shè)想目前，對(duì)舵機(jī)的控制方法有以下幾種?？梢允褂肍PGA、模擬電路、單片機(jī)構(gòu)成舵機(jī)的控制器，但FPGA成本高且電路復(fù)雜。模擬電路中，常用的一種方法是采用調(diào)制信號(hào)獲取有源濾波后的直流電壓，但是需要50Hz（周期是20ms）的信號(hào)，這對(duì)運(yùn)放器件的選擇有較高要求，從電路體積和功耗考慮也不易采用，5mV以上的控制電壓的變化就會(huì)引起舵機(jī)的抖動(dòng)，電源和其他器件的信號(hào)噪聲都遠(yuǎn)大于5mV，所以濾波電路的精度難以達(dá)到舵機(jī)的控制精度要求。本次設(shè)計(jì)采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制，由于單片機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號(hào)的變化完全依靠硬件計(jì)數(shù)，所以受外界干擾較小，整個(gè)系統(tǒng)工作可靠。基于單片機(jī)的舵機(jī)控制方法具有簡(jiǎn)單、精度高、成本低、體積小的特點(diǎn)，并可根據(jù)不同的舵機(jī)數(shù)量加以靈活應(yīng)用。單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須完成兩個(gè)任務(wù)：首先是產(chǎn)生基本的PWM周期信號(hào)，本設(shè)計(jì)是產(chǎn)生20ms的周期信號(hào)；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機(jī)模擬PWM信號(hào)的輸出，并且調(diào)整占空比。當(dāng)系統(tǒng)中只需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)舵機(jī)的控制，采用的控制方式是改變單片機(jī)的一個(gè)定時(shí)器中斷的初值，將20ms分為兩次中斷執(zhí)行，一次短定時(shí)中斷和一次長(zhǎng)定時(shí)中斷。這樣既節(jié)省了硬件電路，也減少了軟件開銷。選擇用單片機(jī)做為舵機(jī)的控制器控制舵機(jī)的輸出角度，那么該以什么樣的控制規(guī)律來(lái)控制舵機(jī)，以滿足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的要求，就需要找到一種合適的控制方法。對(duì)機(jī)器人的控制常見的方法有獨(dú)立PID控制、模糊自適應(yīng)控制、反演控制、滑?？刂?、自適應(yīng)魯棒控制等。機(jī)器人中舵機(jī)的控制方法，一般采用PID控制，其優(yōu)點(diǎn)是控制規(guī)律簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但這類方法有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)，一是難于保證受控機(jī)器人具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)品質(zhì)，二是需要較大的控制能量。模糊控制控制系統(tǒng)具有高度的非線性逼近映射能力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程中未知部分的在線精確逼近，通過(guò)在線建模和前饋補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的高精度控制。本次畢設(shè)要比較這兩種控制方法，選出一種更適合舵機(jī)的控制法對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制，以滿足控制要求。由于MATLAB仿真軟件適用于復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，并可以在仿真過(guò)程中對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行更精確的描述。因此本次設(shè)計(jì)考慮用MATLAB對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行合理性分析，確定最終控制系統(tǒng)。位置控制信號(hào)本次對(duì)機(jī)器人舵機(jī)控制系統(tǒng)的最初設(shè)計(jì)方案如下；1分析目前現(xiàn)有舵機(jī)的控制方法，采用單片機(jī)作為機(jī)器人舵機(jī)的控制器控制舵機(jī)的輸出角度，以滿足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的要求。采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制，由于單片機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號(hào)的變化完全依靠硬件計(jì)數(shù)，所以受外界干擾較小，整個(gè)