自平衡机器人控制系统设计实现.docx

自平衡机器人控制系统设计实现 两轮自平衡机器人的掌握系统是实现两轮自平衡机器人的移动过程中保持平衡的关键系统，也是两轮自平衡机器人实现功能拓展与增加的根底与前提。 1两轮自平衡机器人概述 两轮自平衡机器人是移动式机器人的一个重要分支，在近些年来实现了快速的进展突破，由于其在掌握性、生产经济性、功能拓展性等方面都较其他的轮式机器人有较为明显的优势，因而一度成为轮式机器人掌握讨论领域的热点讨论论题。两轮式自平衡机器人的物理构造由两个车轮与机器人机身组成，车轮一般是由直流轮式电机与加装的功能及掌握部件组成，机身多为连接两个车轮的长方体构造，机身下板固定安装机器人的掌握系统及电池等电路设备，上板一般可以安装一些拓展性的功能模块，在机器人的行走移动功能的根底上再进展肯定的功能拓展，使其具有更加丰富的功能，以拓展两轮自平衡机器人的适用范围与有用性。两轮自平衡机器人的双轮构造打算了其的不稳定平衡性，在静止状态下将自平衡机器人放置在水平的地面上，机器人机身将向前或向后倾倒，无法实现机身平面的平衡，因此必需要通过机器人的平衡掌握系统对两个车轮进展协调掌握，以实现机器人机身的平衡。 2自平衡机器人的平衡掌握机理 两轮自平衡机器人的机身平衡掌握系统多为以单片机为计算系统的集成电路掌握系统，通过安装在车轮位置的姿势传感器测量机身的倾斜角度，然后通过掌握电路内核的单片机使用相应的算法对掌握车轮转动的伺服电机输出相应的掌握信号，进而使轮式电机产生与之对应的扭矩，从而实现机身的平衡。自平衡机器人在掌握系统不工作的状态下无法实现机身的平衡，因此机身会向前或向后倾倒，依据倾倒的方向与倾倒角度的大小推断机身的位置状态。当掌握系统通电工作时，可以依据机器人的运动状态为其定义前进、后退、静止三个工作状态，姿势传感器将倾倒方向、倾倒角度等数据采集并发送至单片机后，再由单片机对车轮输出掌握信号，形成检测接收计算处理输出掌握信号的周期过程，而当单片机对车轮输出掌握信号后，车轮与车身的位置与运动状态也会发生相应的转变，因此两轮自平衡机器人的平衡掌握是一个连续动态的检测输出掌握过程。 3掌握系统主要硬件设计 3.1单片机选用 目前我国用于试验研发的自平衡车掌握系统中多使用单片机作为核心计算系统，使用较多的有80C51系列单片机、STM32系列单片机、ARM单片机等。对于自平衡车的掌握系统而言，单片机的构架与计算速度是比拟重要的参考指标，同时单片机运行环境的稳定性也对掌握系统有着重要影响。对于大多数单片机为核心的掌握系统，两个车轮的群东都使用PWM输出管脚进展对轮式电机的掌握，同时利用单片机内置的定时模块利用检测模块输出脉冲信号，从而监测机器人机身的倾角大小。 3.2检测模块的设计 MPU-6000芯片是世界上第一例整合性6轴运动处理组件，在增加了内部组件集成的同时，提高了陀螺仪与加速器的应用效率与使用性能，缩小了芯片封装的体积，增加了模拟量计算的精确性，由于其精彩的角速度感测范围，MPU-6000芯片广泛运用于智能手机和平板电脑的体感组件、姿态感应、运动感测嬉戏等场景。对于两轮自平衡机器人的掌握系统而言，使用MPU-6000芯片作为机身倾角的检测组件可以有效提升角速度检测的精确性，为单片机输入更为精确的角速度型号，从而提升掌握系统平衡掌握性能。 3.3通信模块的设计 多数两轮自平衡机器人的掌握系统在试验阶段都会使用无线蓝牙通信技术，SPP-C蓝牙通信模块在蓝牙信号的输出功率、模块体积、运行稳定性等方面都能够有效满意多数掌握系统的通信要求。通过无线蓝牙通信组件可以实现对自平衡机器人的远程掌握，并且大大的增加了掌握系统的兼容性，使掌握方法及范围拓展至大量的集成蓝牙通信功能的移动终端设备。目前绝大多数的笔记本电脑、智能手机、平板电脑等移动终端都搭载有无线蓝牙通信功能，通过蓝牙模块可以与单片机进展无线通信，从而实现两轮自平衡机器人的远程掌握。 4掌握系统实现的留意事项 4.1保证掌握系统的接线质量 两轮自平衡机器人的掌握系统是由多种功能模块及电子元器件组合集成形成的电子掌握系统，需要将简单的芯片管脚、引线根据设计图纸高质量的连接才能保证掌握系统的稳定性，从而实现掌握系统的掌握效果。在两轮自平衡机器人的掌握阶段，为了提高掌握系统元器件更换的便利性，许多模块与其他电子元器件的连接都是使用引线的连接方式，虽然这样的方式能够通过大量的组件使用试验筛选出适合其设计的掌握策略的功能模块，有效的削减了试验过程中更换组件的时间，提高了试验的效率，但是通过引线连接也在肯定程度上增加了掌握系统的不稳定性。尤其是再机器人拓展功能较多时，过多的引线影响了消失故障时检测故障的效率，同时由于掌握系统内部空间有限，引线连接也增加了接线难度，时常发生引线失误短接造成元器件烧毁损坏的状况，假如短接发生在一些体积较小的元器件上，故障检测工作会变得特别简单且耗时长，大大影响了试验的效率。因此，在两轮自平衡机器人掌握系统的试验中，应尽量提高掌握系统接线的质量，以提高掌握系统的稳定性，提高试验效率，促进掌握系统功能的实现。 4.2优化电源与电机驱动模块 在两轮自平衡机器人掌握系统实现的试验中，一般都需要进展屡次试验才能优选出较为有效的平衡策略。因此，多数平衡掌握系统的研发试验都将试验重点放在掌握系统检测模块、数据处理算法模型、掌握信号输出模块等方面，而忽视了机器人电源系统和车轮电机驱动系统的优化。依据笔者的试验阅历，局部两轮自平衡机器人掌握系统策略设计的实现不是由于其掌握策略设计不合理，而是其设计的掌握系统未能得到输出稳定、功率满意要求的电源支持系统，导致掌握系统的供电缺乏，各功能模块之间的信号无法有效传达或者传达效率产生偏差，从而影响了掌握信号输出的精确性。还有局部试验失败是由于电机的驱动模块功率缺乏，当机身倾角角度过大时无法为电机供应足够大的扭矩，从而使机器人失去平衡。因此在试验中，需要优化机器人的电源与电机驱动模块，在试验条件允许的条件下尽量选择性能超过试验要求范围的元器件，从而保证掌握系统功能的实现。 4.3优化软件系统算法 软件系统的角速度算法是两轮自平衡机器人掌握系统的核心局部，假如算法设计编写不合理，即使检测模块的角速度数据收集再精确也会影响掌握系统的功能实现。目前两轮自平衡机器人的掌握策略较为多样，算法编写方法也较为丰富，通过查阅相关的试验数据能够较为简单的找到适用的算法。需要强调的是，不同的软件算法是和详细的掌握策略严密结合的，因此在软件算法的选择时需要依据掌握策略进展针对性的优化，从而提高单片机输出信号的精确性。 5结语 综上所述，两轮自平衡机器人由于精彩的可控性、拓展性在近些年来实现了很大的进展，在掌握系统方面的讨论也越来越多。两轮自平衡机器人的掌握机理主要是通过伺服电机掌握车轮的扭矩，从而实现掌握系统工作时机器人机体的平衡。在两轮自平衡机器人的掌握系统中，单片机的选用、检测模块的设计、蓝牙模块的设计是三个较为重要的设计环节，在掌握系统功能的实现过程中有必要在保证掌握系统的接线质量、优化电源与电机驱动模块、优化软件系统算法三个方面投入更多精力，以提升两轮自平衡机器人的掌握系统的掌握有效性，保证掌握系统功能的实现。