当前位置：文档之家 › 自平衡两轮机器人的控制系统设计

自平衡两轮机器人的控制系统设计

  • 格式：pdf
  • 大小：264.34 KB
  • 文档页数：4

光电码盘１ 光电码盘２
收稿日期：２００４—０５—３１ 作者简介：傅继奋（１９７７一），男，硕士研究生。研究领域：机： 器人。
７５
万方数据
·测试与控制·
的主控芯片采用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ ＤＳＰ。它有两个事件管 理器模块（ＥＶＡ＆ＥＶＢ），集ＤｓＰ的信号高速处理能力 和适用于电机控制的外围电路于一体，大大减少了控制
法可表示：
ｕ（ｋ）＝ｋｐｅｎＤｒ（ｋ）＋ｐｋｉ ２一ｅｒＴｏｒ（ｊ）Ｔ
＋ｋｄ（ｅＩＴｏｒ（ｋ）一ｅＩＴｏｒ（ｋ一１））／Ｔ
（１）
她助采样时间厣｛：＝烈等
ＰＩＤ控制算法 的程序框图如图５ 所示。
为了保证双轮 机器人在直线行走 时的精度，需要保 证两个电机的同步 动作。在此我们设 计了两电机同步运 转的控制方案。图 ６所示为电机同步 运转的控制方案。 其工作过程如下： 两电机在获得相同 的速度指令后，按 照各自的控制规 律，加速到命令速 度。当电机转速达 到指定速度时，
ａｌ鼬ｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒ０１ ｉｓ ｉｎ们ｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｊｓ ｐａｐｅｒ．Ｕｓｉｎｇ ｄｌｉｓ ｃｏｎ仃ｏＵｅｒ，山ｅ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ａｂｌｅ ｔｏ ｍｏｖｅ如ｎｇ埘ｔｈ ｄｉ脆ｒｅｎｔ ｐａｔｈｓ．
ＫｅｙｗＯｒｄｓ：Ｗｈｅｅｌｅｄ ｍｏｂｄｅ ｒｏｂｏｔｓ；ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｌｌｍ：ＤＳＰ ｃｏｎｔｒ０１ ｓｙｓｔｅｍ
控制中，我们运用了积分分
离ＰＩＤ控制，其基本思路是：
①根据实际情况，设定阀值 ８＞Ｏ；（爹当Ｉｅｒｒｏｒ（ｋ）ｌ＞８时， 采用ＰＤ控制，可避免产生过
图４ ＩＳＲ流程图 ｎｇ．４ ＩＳＲ ｎｏｗｃｈａｒｔ
大的超调，又使系统有较快的相应；③当ｌｅｒｒｏｒ（ｋ）Ｉ≤８
时，采用ＰＩＤ控制，以保证系统的控制精度。其控制算
第１７卷第６期
机电产品开崖与钏崭
』竺竺兰望＝：：—：＝一竺塑竺竺苎堕：！唑兰竺！！堕！垒塑！兰！坐！型竺
自平衡两轮机器人的控制系统设计
Ｖ０１．１７，Ｎｏ．６
型些兰里里兰
傅继奋１，孙汉旭１，王亮清２，肖爱平１，赵 勇１，余忠华ｔ
（１．北京邮电大学自动化学院，北京１００８７６；２．北京航天航空大学机器人研究所，北京１００８７６１
中国水利水电出版，２００３．
为９．３２ｋｍ／ｈ。
Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｄｅｓｉ２ｎ ｏｆ ａ Ｓｅｌｆ－ｂａＩｌｌａ眦ｉｎｇ Ｔｗｏ Ｗｈｅｅｌｅｄ Ｍｏｂｉｌｅ Ｒ（＇ｂｏｔ
刚五一ｎｎｌ，ＳＵⅣ如ｌ《“１，删ⅣＧ￡唔Ｑｉ砰，ｘ，Ａ０ Ａｉ—Ａ耐，ｚ枞０ ｙｏ哦ｙｕ踟妒日№１
（１．Ａｕｔｏｎｌａｄｏｎ Ｓｃｈｏｏｌ，Ｂｅ蟮ｉｎｇ ｕｎｉｖｅｒｓ时ｏｆ Ｐｏｓ如ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏ衄ｕ１１ｉｃａｄｏｔｌｓ，Ｂｅ西ｉｎｇ １００８７６，Ｃｈｉｌｌａ；
器人的两轮相对重心作转动，从而使其前进、后退、灵 活转向和原地转圈。
两轮机器人的控制系统决定着机器人性能。我们采 用了ＬＦ２４０７Ａ ＤＳＰ芯片，作为机器人的主控芯片，它 具有高速低功耗，多电机控制等优点。本文将详细介绍 基于该芯片的两轮机器人控制器的硬件及软件结构。
检测；③控制系统可以对每个车轮进行单独的控制；④ 控制系统应具有抗干扰能力。两轮机器人样机的驱动为 两个直流力矩电机。两个增量式光电码盘用于检测每个 车轮的转速，以便进行速度和位置反馈。两个红外传感 器用于避碰检测。无线串口通信模块用于与控制计算机 之间的通讯，进行自主的路径规划。航模无线接受模块
机电产品开发与创新 DEVELOPMENT & INNOVATION OF MACHINERY & ELECTRICAL PRODUCTS 2004，17(6) 0次
参考文献(4条) 1.梅凤翔 非完整系统力学基础 1985 2.刘和平 TMS320LF240X DSP结构、原理及应用 2002 3.韩安太.刘峙飞.黄海 DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用 2003 4.黄英哲.黄胜源 TMS320C240原理与C语言控制应用实习 2003
多（ｔ）＝．｝【ｖ小）＋ｖｌ（ｔ）】ｓｉｎ［ｏ（ｔ）】
（３）
对样机直线运动，圆弧运动和原地旋转运动等运动控
制。实验结果证明理论与控制策略正确、可行。
６（ｔ）：｝［Ｖｒ（ｔ卜Ｖ－（ｔ）】寺
（４）Ｊ
轮式机器人由于其结构简单，成本低等特点，是移
动机器人研究的一个方向。
式中，ｖ。（ｔ），ｖｌ（ｔ）分别为左右轮的驱动速度，ｌ是：
ｔ帅训蒯蝴 图ｌ 两轮机器人结构简图
鸭ｌ岛融ｃｈ阳删知嘴０ｆ
特点是没有冗余的平衡轮或导向轮作为平衡轮，其驱动 方式也不同于一般的轮式机器人的驱动方式，驱动电机 的主要功能是保持重心向下不动的前提下，驱动两轮机
衡，不至于倾倒，永保其运动能力。 两轮机器人控制系统的硬件需要解决的主要问题
是：①每个轮子的速度检测；②两轮机器人行驶距离的
（３）圆弧运动。为了方便实验，我们取定Ｒ＝１ｍ， 给定左轮速度分别为ｖ－＝１５ｒｐｍ，ｖｌ＝３０ｒｐｍ由公式（４）， 计算可得ｖｒ＿３５Ｉｐｍ，ｖＦ７０ｒｐｍ，经实验我们得到在这两 种给定速度下，小车的运动轨迹均为Ｒ＝１ｍ的圆弧。
利用以上控制器，我们对原理样机进行了实验，实
现了两轮机器人的直线运动，原地旋转运动和圆弧运动
对移动机器人的研究已成为机器人研究的一个热点研究
领域。其中轮式机器人由于其机构简单、成本低等特
点，成为移动机器人研究的一个方向。目前大多数轮式
机器人的载体都是具有导向轮的三轮或四轮小车布局， ｌ
需要通过导向轮来平衡电机或马达的驱动力矩，从而使
得驱动力矩能够克服摩擦力矩，驱动小车的运动；本文 介绍的两轮机器人属于差动轮式移动机器人，其主要的
摘要：介绍了基于ＬＦ２４０７Ａ ＤＳＰ的两轮机器人控制器的设计，以及电机控制ｐＩＤ算法。利用这个控制
器实现了对两轮机器人样机的轨迹控制。
关键词：两轮机器人；ＰＩＤ控制；ＤＳＰ控制系统
中囤分类号：ＴＮ４９２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２—６６７３（２００４）０６—０７５—０３
Ｏ 引言
由于移动机器人在各行各业具有广泛的应用前景，
的控制。
两轮机器人的运动学模型可描述为：
，
文（ｔ）＝辜【ｖｒ（ｔ）＋ｖ，（ｔ）】ｃｏｓ［ｅ（ｔ）］
（２）ｌ
３结论
本文设计了基于ＬＦ２４０７ＡＤＳＰ控制器，完成了控制 器的调试，给出了控制软件框图，编写了行走控制算 法。设计了ＰＩＤ伺服控制系统，提出了双电机同步控制 策略，对两轮机器人原理样机进行了控制实验，实现了
２运动控制实验结果
表１
两轮小车重量
Ｍ＝２５．７蝇
车轮直径
ｄ＝４００ｍｍ
两轮间距
Ｌ＝７３０ｍｍ
电机最高转速 电机减速比
ｎ一＝８９０ｒｐｍ ｉ＿７
电机最大输入电压，电流
４８Ｖ．４．８Ａ
电机额定输出扭矩
２Ｎ·ｍ
（２）原地旋转运动。给定两轮两轮的速度相等，方 向相反，机器人的运动轨迹为原地旋转运动。当给定实 验速度分别为ｖ，＝一ｖ。＝６０，８０，１００印ｍ，机器人运动轨迹均 为原地旋转运动；
２．Ｒｏｂｏｔ Ｒｅｓｅａｃｈ Ｉｎｓｄｃｕｔｅ，Ｂｅ幻ｉｎｇ ＵｎｉｖｅｒＳ时ｏｆ Ａｅｒｏｎｏｄｃｓ ａｎｄ＾占廿ｏｎａｕｄｃｓ，Ｂｅ妇ｉｎｇ １０００８３，ｃｈｊｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｄｅｔａｊｌｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｃｏｎｃｒｏⅡｅｒ南ｒ ｏｕｒ ｎｏｖｅｌ ｓｅｌｆ二ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｔｗｏ ｗｈｅｅｌｅｄ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ＰＩＤ ｃｏｎｃｒｏｌ
两轮机器人控制系统软件需要解决以下几个问题： ①控制两轮机器人的行驶距离；②控制两轮机器人按照 特定的轨迹行驶；③控制两轮机器人按照特定的速度前 进。为完成以上的任务，控制系统软件需通过硬件采集 电机转速、红外信号等传感器信号，然后利用相应的控 制算法对机器人进行轨迹控制。两轮机器人控制系统的 软件结构如图３所示。ＰＩＤ．ｃ子程序为底层控制模块， 主要负责电机的伺服控制，包括进行ＰｌＤ运算，以及避 碰运算；ＣＯＭ．ｃ子程序主要负责处理上位机与底层控制
ＲｏｂＤｔｃｏｎ．ｏ 任务分解 轨迹生成
愆
０ ８Ｎ
ＰＩＤ．ｃ
ＣＯＭ，ｃ
电机控制
串口通讯
伺服模块
无线通讯
光电 红外
ｌ碰信号弋７乡１产
弋７之Ｉ Ｆ
两轮机器人。ｓＰ控制器
图３软件结构 Ｆ培３ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｈｉｅｒａｒｃｈｙ
板之间的无线串口通讯；Ｒｏｂｏｔｃｏｎ．ｃ子程序的任务是任
务规划、命令分解以及轨迹生成。
伺服控制模块是机器人控制最基本而且是最重要的 组成部分。ＤＳＰ的通用定时
器３（Ｔｉｍｅｒ３）的周期中断产
生伺服控制的中断服务
（ＩＳＲ），采样周期为１ｍｓ。图
４所示为中断服务的流程图。
ＰＩＤ控制仍然是伺服控制领
域最常用的控制技术，随着
计算机控制的发展，数字
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ＰＩＤ控制已逐步代替了模拟
ＰＩＤ控制。在两轮机器人的
Ｉ脚Ａ 系统的体积，提高了系统的性价比。图２所示为基于Ⅱ ＤＳＰ芯片的控制器硬件结构图。 ＥＶＡ的比较单元输出ＰＷＭｌ和ＥＶＢ的比较单元输 出ＰＷＭ７，作为电机专用驱动芯片ＬＭｌ８２４５的驱动信号， 驱动两个直流力矩电机。定时器１和３分别作为ＰＷＭｌ 和ＰＷＭ７的时基，同时定时器３为伺服控制提供采样时 基，采样周期为１ｍｓ。在每个采样周期内，根据控制算法 的计算值，对比较寄存器ＣＭＰｌｌｌ、ＣＭＰＲ３进行更新， 输出ＰＷＭ波，分别控制两个电机。两个正交编码脉冲 电路（ＱＥＰｌ、２和ＱＥＰ３、４）用来获得电机１、２的光电 编码器信息，分别由定时器２和定时器４提供时基。端 口１０ＰＦ５和１０ＰＦ６用于采样红外测碰信号。用ＦＵＴＡＢＡ 航模遥控器来实现对两轮机器人的手控，航模无限发射 器发送的控制信号由ｃ印３和ｃ印６捕获口进行实时采样， 采样方式采用上升下降沿捕获方式，减少了系统资源的 占用。系统中利用ＳＣＩ接口完成与上位机的通讯功能， 采用ＲＳ一２３２通讯。通过上位机可以进行任务给定，程 序固化在片内的ＦＬＡＳＨ程序存储器中，由看门狗定时器 完成程序跑飞后的系统复位。整个硬件系统充分利用了 ＤＳＰ内部资源，实现了系统结构的简化，同时提高了系统 的可靠性。

合集下载

两轮自平衡机器人控制系统设计与实现

两轮自平衡机器人控制系统设计与实现


ｏ ｆ ａ ｃ ｃ ｅ ｌ ｅ ｒ ｏ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ ｇ ｙ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｅ ．Ｔ ｈ ｅ ｎ ， ａ Ｐ Ｉ Ｄ － Ｌ Ｑ Ｒ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ｗ ｉ ｔ ｈ Ｐ Ｉ Ｄ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ａ ｄ ｊ ｕ ｓ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ Ｌ Ｑ Ｒ Ｒ ａ ｃ ｋ ｉ ｎ ｇ ｆ ｕ ｎ ｃ —
滤 波实现加速度 计及陀螺仪 的信 息融合 ， 然后 设计 了一 种具 有 Ｐ Ｉ Ｄ动态 调节及 Ｌ Ｑ Ｒ跟踪 功能 的 Ｐ Ｉ Ｄ — Ｌ Ｑ Ｒ控制 器 ， 解决了 机器人在大 角度 范围 内不 能快 速稳定地达到设定 状态效果 的问题 ， 最后 搭建 了以 Ｋ ６ ０微控制 器为 核心 的机器 人软 硬件平 台。仿 真结果表 明当设 定速度 为 １ ｍ ／ ｓ 时， Ｐ Ｉ Ｄ — Ｌ Ｑ Ｒ控制器 比 Ｌ Ｑ Ｒ控制器 动态 响应速 度减少 接近 １ Ｓ 。实际应 用测试 结果 表 明当机器人受 冲击后 ， 重 新 回到平衡位 置的时间减少接 近 ｌ ｓ ， 平衡 位置 的扰动大 小减小 ５ ０ ％左右 。 关键 词 ： 两轮 自平衡机器 人 ； 动态模 型 ； Ｐ Ｉ Ｄ — Ｌ Ｑ Ｒ控制 器 ； Ｋ ｒ ０ 微 控制器
ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ｔ ｏ ｓ ｏ ｌ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ｃ ａ ｎ’ ｔ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｆ ａ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｅ ａ ｄ ｙ ｅ ｎ ｏ ｕ ｇ ｈ ｔ ｏ ｓ ｅ ｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｉ ｎ ａ ｌ ａ ｒ ｇ ｅ
第２ ７卷 第 ８期
・
电子测量与仪器学报
基于自抗扰的双轮自平衡机器人运动控制系统设计

基于自抗扰的双轮自平衡机器人运动控制系统设计

基于自抗扰的双轮自平衡机器人运动控制系统设计摘要：本文详细的阐述自抗扰控制的组成与原理，并应用到双轮自平衡机器人的运动控制中。

根据双轮自平衡机器人的运控控制规律，对控制系统结构进行了总体设计。

提出了速度-倾角串级自抗扰控制器，解决了双轮自平衡机器人速度和直立平衡控制之间的强耦合问题，并且提高了系统的抗扰能力。

将自抗扰控制应用到转向控制中，提出了一种PID-自抗扰串级控制器，改善了双轮自平衡机器人转向控制的快速性。

实验表明，提出的基于自抗扰控制的运动控制系统有较好的动态性能和抗扰能力。

关键词：动力学模型；自抗扰控制；双轮自平衡机器人；串级控制器中图分类号：TP272 文献标志码：A 文章编号：Design of Motion Control System for Two-wheeled Self-balancing Robot Based on Active Disturbance Rejection ControlBAO Zhen-ming1,TANG Ming-hui2,ZHANG Fu-qiang2, YANG Peng-shuai2，WANG-qi21(School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University of Science & Technology, Zhenjiang, 212003, Jiangsu, China)2(School of Electromechanical and Power Engineering, Jiangsu University of Science and Technology at Zhangjiagang, Zhangjiagang, 215600, Jiangsu, China)Abstract: The motion control of two-wheeled self-balancing robot (TWSR) based on active disturbance rejection control (ADRC) is introduced. The overall structure of the control system is designedaccording to the control law of the TWSR. The composition andprinciple of the ADRC are elaborated and applied to the motion control of the TWSR. A speed-angle cascade controller based on ADRC is proposed, which solves the problem of strong coupling between thespeed and the balance control, and improves the anti-interferenceability of the system. The ADRC is also applied to the steering control. To improve the response speed of the TWSR’s steering control, a PID-ADRC cascade controller is proposed. The Experiment shows thatthe proposed motion control system based on ADRC has better dynamic performance and anti-interference ability.Key words: dynamics model; active disturbance rejection control (ADRC); two-wheeled self-balancing robot; cascade controller0引言在国内外对机器人的研究中，轮式移动机器人是最热门的研究方向之一。

两轮自平衡小车的设计

两轮自平衡小车的设计

两轮自平衡小车的设计设计原理：两轮自平衡小车的设计原理基于倾角控制算法和正反馈控制理论。

当车身发生倾斜时，传感器将感知到倾角，并通过控制算法计算出合适的电机控制信号，使车身产生逆倾的力矩，从而使车身重新回到平衡状态。

当车辆向前倾斜时，电机会产生足够的力矩向前旋转，使小车向前加速，反之亦然。

通过不断监控和调整车体的倾角，小车能够保持平衡，并根据用户的指令进行前进、后退、转弯等动作。

硬件组成：1.IMU：IMU是最核心的传感器之一，通常由陀螺仪和加速度计组成。

陀螺仪用于测量车身的旋转角速度，加速度计则用于测量车身的倾角。

通过对陀螺仪和加速度计测量结果的融合，可以得到较为准确的车身姿态信息。

2.电机驱动器：电机驱动器用于控制电机的转速和方向。

它接收来自控制器的电机控制信号，并根据信号的大小和方向来调整电机的运转。

常见的电机驱动器有H桥驱动和PWM调速电路。

3.电机：两轮自平衡小车通常采用直流电机作为动力源。

电机的规格和功率根据车辆的大小和负载来确定。

一般情况下，电机的转速和扭矩越高，小车的稳定性和运动性能越好。

5.控制器：控制器是小车的主要计算和决策中心。

它接收来自IMU的姿态信息，通过算法计算出电机控制信号，并将信号传递给电机驱动器。

控制器通常采用单片机或微控制器作为基础，并配备相应的传感器接口、通信接口和控制算法。

软件控制：1.姿态控制算法：姿态控制算法通过对IMU传感器测量数据的处理，确定小车的倾角，并根据倾角的变化来计算电机的控制信号。

常见的姿态控制算法有PID控制器和卡尔曼滤波算法等。

2.运动控制算法：运动控制算法用于实现小车的前进、后退、转弯等动作。

它通过根据用户的指令调整电机的转速和方向，使小车按照预定的路径和速度运动。

常见的运动控制算法有速度控制和位置控制等。

3.用户界面：用户界面是与用户交互的界面，用于发送指令和接收反馈信息。

用户可以通过按钮、摇杆等设备来控制小车的运动，并通过显示屏、LED灯等设备来获取小车的工作状态。

两轮自平衡机器人控制系统的设计_陈伟

两轮自平衡机器人控制系统的设计_陈伟


mvÛL = H fL - H L ,
(1)
JXÛL = TmL - H fL r
式中 m 为车轮质量, kg; J 为电 机转子 和车轮 等效 在电机
轴上的转动惯量, kg# m2; r为车轮半径, m; XL 为左轮转速, rad /s; T mL为左轮电机电磁转矩, N# m; H L 为左轮承 受的车 身水平作用力, N。
CH EN W e i1, YAN W en- jie2, ZHOU Chao-ying2, DU Zh-i jiang3
( 1. Dep artm ent of Au tom ation, Sh enzhen Polytechnic, Sh enzhen 518055, Ch ina; 2. Dep artm ent ofM echan ical En gineer ing and Au tom ation, H arb in Institu te of T echnolog, Shenzh en 518055, Ch ina;
3 D epartm en t of M echan ica l Engineering, H arb in In stitu te of T echnolog, H arb in 150001, Ch ina)
Abstract: A im ed a t tw o w hee ls se l-f balance robot O pyanbot, the mechan ica l model is set up. T he contro ller is designed by us ing the optima l contro l m ethod and tw o wheels differentiated m ethod. A new m ethod includ ing ba lance contro l and m ovem en t contro l is introduced. In o rder to im prove the effect o f contro l system, IPM 100 inte lligen t servo driv e based on D SP separate ly is used to control two whee ls and upper computer is adopted to rea -l tim e contro l the robot. The fac ility improves the prec ision, re liability and the integ ration of the control system, and is prov ed to be effic ient. K ey word s: two w hee ls sel-f ba lance robo t; contro l system des ign; optima l contro ;l d ig ita l servo dr ive