自平衡機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言
    移動(dòng)式機(jī)器人在各行各業(yè)具有廣泛的應(yīng)用，而輪式移動(dòng)機(jī)器人由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可控性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為移動(dòng)式機(jī)器人研究的一個(gè)主要方向。自平衡機(jī)器人采用水平布置的兩輪結(jié)構(gòu)，本身是一個(gè)不穩(wěn)定體。也就是說(shuō)，自平衡機(jī)器人在靜止?fàn)顟B(tài)下，不能保持平衡，車體總是要向前或向后傾倒；而在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，可以通過(guò)一定的控制策略使它達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。
    由于自平衡機(jī)器人具有內(nèi)在不穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)靈活性，國(guó)內(nèi)外機(jī)器人愛(ài)好者設(shè)計(jì)了多種結(jié)構(gòu)、外觀各異的自平衡機(jī)器人，嘗試采用各種控制策略使其達(dá)到自平衡控制。通常這類機(jī)器人采用姿態(tài)傳感器檢測(cè)機(jī)器人車體的傾倒角度和傾倒角速度，根據(jù)當(dāng)前機(jī)器人姿態(tài)控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，從而使機(jī)器人保持平衡。該方式制作的自平衡機(jī)器人雖然控制性能良好，但成本高，不適合廣泛推廣。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人嘗試采用紅外測(cè)距傳感器測(cè)量車體與地面的距離，通過(guò)計(jì)算獲取機(jī)器人的姿態(tài)信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自平衡。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    本文設(shè)計(jì)的自平衡機(jī)器人系統(tǒng)主要由機(jī)械行走裝置、控制系統(tǒng)和傳感器3部分組成，如圖1所示。

    機(jī)械行走裝置主要由車體平臺(tái)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流無(wú)刷電機(jī)、齒輪減速機(jī)構(gòu)和車輪組成。機(jī)器人采用48 V電池供電，通過(guò)DC-DC模塊轉(zhuǎn)換為5 V和24 V電壓。其中，5 V提供給控制系統(tǒng)和傳感器，24 V提供給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器?？刂葡到y(tǒng)以ATmega128單片機(jī)為主控制芯片，通過(guò)SJA1000擴(kuò)展CAN總線與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通信。紅外測(cè)距傳感器的輸出是與距離成正比的模擬電壓值，輸入到單片機(jī)的A／D采樣端口進(jìn)行處理，從而得到距離信息。機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

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2 姿態(tài)信息獲取
    機(jī)器人的姿態(tài)信息包括傾倒的角度和角速度。如圖3所示，機(jī)器人左右兩側(cè)水平位置各安裝有1個(gè)紅外測(cè)距傳感器，可以測(cè)量與地面之間的距離d1和d2。當(dāng)機(jī)器人在豎直狀態(tài)時(shí)，左右傳感器距離差為零。當(dāng)機(jī)器人傾倒時(shí)，距離差與傾倒角度θ成函數(shù)關(guān)系如下：
    sin θ=(d2-d1)／D

    其中，D為傳感器之間的距離。機(jī)器人在豎直動(dòng)態(tài)控制時(shí)傾倒角度范圍較小，此時(shí)sinθ≈θ，即可由傳感器的距離信息得到機(jī)器人的傾倒角度。角速度可以通過(guò)θ對(duì)時(shí)間求導(dǎo)獲得。
    選用的紅外測(cè)距傳感器為Sharp公司的GP2D12，輸出為0．4～2．4 V的模擬信號(hào)，對(duì)應(yīng)的測(cè)量距離為10～80 cm。在同一溫度下，傳感器的輸出與測(cè)量結(jié)果呈良好的線性關(guān)系，可以滿足自平衡機(jī)器人的要求。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1 機(jī)器人平衡控制原理
    當(dāng)車體偏離平衡位置(豎直位置)向前傾斜時(shí)，傳感器采集信息并傳送到單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算和判斷，車輪隨之作出響應(yīng)向前運(yùn)動(dòng)，將車體向平衡位置調(diào)整；同樣當(dāng)車體向后傾斜時(shí)，車輪將向后運(yùn)動(dòng)。這樣機(jī)器人一直處在傾斜判斷、運(yùn)動(dòng)調(diào)整的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，使車體始終保持在平衡位置附近，達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡。
3．2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    控制系統(tǒng)主芯片選用Atmel公司基于RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)ATmega128。它采用低功耗CMOS工藝；具有豐富的片上資源，包括4個(gè)定時(shí)器、4 KB的數(shù)據(jù)SRAM、128 KB的程序Flash、可外擴(kuò)至64 KB的E2PROM和8個(gè)10位ADC通道；擁有UART、SPI、I2C、JTAG接口，方便外部擴(kuò)展和傳感器的接入。
3．2．1 傳感信息輸入電路
    傳感器信號(hào)通過(guò)放大器引入，通過(guò)設(shè)置反饋電阻(R1和R2)和輸出端電阻(R3和R4)的阻值可以使輸入的電壓值在要求的范圍內(nèi)。具體硬件電路如圖4所示。

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3．2．2 擴(kuò)展CAN通信電路
    單片機(jī)與電機(jī)控制器采用CAN總線通信，CAN接口采用Philips公司的CAN物理層和鏈路層接口芯片SJA1000和PCA82C250。單片機(jī)直接控制SJA1000的AD0～AD7、ALE、INT引腳。SJA1000工作在Intel模式下，MODE腳接高電平，片選腳CS接地，始終處于選通狀態(tài)。擴(kuò)展CAN通信電路如圖5所示。單片機(jī)對(duì)SJA1000的操作主要是對(duì)寄存器的操作：一方面，對(duì)SJA1000的模式寄存器、命令寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器、中斷允許寄存器、總線定時(shí)寄存器、輸出控制寄存器、時(shí)鐘分頻計(jì)數(shù)器進(jìn)行設(shè)置和檢測(cè)；另一方面，對(duì)收發(fā)緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫(xiě)，從而和CAN設(shè)備交換數(shù)據(jù)。

3．3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    自平衡機(jī)器人的控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下功能：傳感器信息處理和機(jī)器人姿態(tài)信息計(jì)算，電機(jī)控制PID算法實(shí)現(xiàn)和CAN口的數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)控制流程如圖6所示。系統(tǒng)上電后從主函數(shù)開(kāi)始執(zhí)行。主函數(shù)負(fù)責(zé)初始化控制器的I／O口、CAN口、控制周期定時(shí)器、A／D轉(zhuǎn)換器、各個(gè)中斷接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)模塊等。初始化完畢，控制周期定時(shí)器時(shí)間到后，傳感器信息輸入到A／D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，計(jì)算機(jī)器人的傾倒角度和傾倒角速度；然后調(diào)用PID算法計(jì)算電機(jī)控制數(shù)據(jù)，并通過(guò)CAN口輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

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3．4 速度PID控制算法
    機(jī)器人采用經(jīng)典的PID算法進(jìn)行平衡控制?？刂葡到y(tǒng)采用典型的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和前饋控制方法。速度環(huán)路設(shè)計(jì)有利于提高電機(jī)輸出速度精度。前饋控制主要是為了補(bǔ)償電機(jī)轉(zhuǎn)軸與車輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸以及傳動(dòng)系統(tǒng)的間隙誤差，這些誤差是穩(wěn)定的、可以測(cè)量的。當(dāng)電機(jī)在正反轉(zhuǎn)變換時(shí)，控制系統(tǒng)可以檢測(cè)到變換方向，經(jīng)過(guò)位置誤差環(huán)節(jié)調(diào)整后把確定的偏差補(bǔ)償量疊加到驅(qū)動(dòng)器輸出端。這樣電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度在原理基礎(chǔ)上增加了補(bǔ)償量，機(jī)械誤差得以修正。
    采用PID控制算法公式如下：
   

    其中，u(k)為當(dāng)前調(diào)節(jié)器輸出量；u(k-1)為上一次調(diào)節(jié)器輸出量；△u(k)為當(dāng)前控制增量；e(k)為當(dāng)前控制誤差量；Kp為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)。PID控制算法流程如圖7所示。圖中，ε為調(diào)試過(guò)程中設(shè)定的誤差值。

4 實(shí) 驗(yàn)
    利用該控制方法，對(duì)原理樣機(jī)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，在機(jī)器人正上方水平位置安裝陀螺儀，以采集機(jī)器人的傾倒角度數(shù)據(jù)。實(shí)際測(cè)量角度信息隨時(shí)間變化的曲線如圖8所示。通過(guò)測(cè)得數(shù)據(jù)分析可以看到，機(jī)器人大致可以穩(wěn)定在0°附近，最大偏差為±2°。

結(jié) 語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)了以ATmage128單片機(jī)為控制核心，采用紅外測(cè)距傳感器監(jiān)控的雙輪自平衡機(jī)器人，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了控制試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)器人可以通過(guò)有效的控制保持在豎直狀態(tài)，并且在一定的角度范圍內(nèi)達(dá)到平衡。