双轮机器人平衡控制系统设计资料

2012届毕业生毕业设计说明书

题目: 双轮直立智能机器人平衡系统设计

目次

1 概述 (3)

1.1 轮式智能机器人的研究背景及意义 (3)

1.2 国内外研究现状 (3)

1.3课题研究内容 (4)

2总体设计方案 (4)

2.1双轮智能平衡机器人的工作原理 (5)

2.2机器人平衡控制系统方案分析 (6)

3微控制器和检测电路设计 (7)

3.1 S08微控制器 (7)

3.2角度和角速度检测模块 (8)

3.3速度传感器 (11)

4驱动电路及电源模块设计 (12)

4.1微型直流电机 (12)

4.2电机驱动模块 (12)

4.3电源模块设计 (13)

5软件设计 (14)

5.1 S08AW60微控制器资源配置 (14)

5.2 PID控制原理 (16)

5.3 程序设计 (17)

总结 (21)

1 概述

1.1 轮式智能机器人的研究背景及意义

随着科学技术的迅速发展，人类进入了数字化、智能化时代，计算机科学和控制理论的发展为人类制造高度智能的仿真机器人提供了可能。专家预言，二十一世纪将是机器人的时代。从上个世纪八十年代开始，机器人技术逐渐形成了一个比较系统的科学体系，它将力学、机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制理论和算法等学科融为一体，不断吸收其它相关学科的最新研究成果，形成了一门独立的高科技学科。

移动机器人是现代机器人中的一个重要的分支，它能够根据指定的命令，自主运动到特定位置，具备对工作环境的感知和自我适应、运动的实时决策以及自身的行为控制等功能，它具有很高的军事、商业价值[1]。近年来，移动机器人已经得到广泛的应用，几乎渗透到各个行业，所实现的功能也是越来越复杂，例如应用于核电站、军事应用、宇宙探索、防灾救灾、危险品运输、地形勘探、海洋开发等。轮式移动机器人作为移动机器人的一个重要分支。轮式移动机器人比较适合在狭窄和大转角场合工作，因此轮式移动机器人的实用价值和理论价值都非常高[2]。

1.2 国内外研究现状

在二十世纪八十年代末，日本东京电信大学自动化系的山藤一雄教授最早提出了双轮直立自平衡机器人的设计思想，并于1996年在日本通过了专利申请。如图1-1所示，机器人沿固定轨道行走，不能实现转弯等动作。所以其研究并没有受到太多人的重视。直到本世纪初，人们才重新关注两轮直立平衡机器人，各国开始研发自己的两轮智能平衡机器人。国外的开发的机器人占了绝大部分，处于领先地位，国内的机器人主要还处在理论研究阶段，只开发了少数的原型机[3]。

图1-1 早期自平衡机器人

1.3课题研究内容

本课题研究的主要内容是微型直流电动机的控制与驱动，双轮直立智能平衡机器人的平衡控制系统两方面内容。

双轮智能平衡机器人的平衡控制系统采用S08单片机作为控制器，采用倾角传感器和加速度传感器组成姿态传感器来检测车体平台的倾斜角度和倾倒速率，运用PWM脉宽调制技术控制驱动直流电机；姿态传感器的检测输出为反馈信号输送给控制器，根据反馈信号采用PID控制算法调节控制器输出的PWM脉宽的占空比，从而改变直流电机的转速以实现系统的平衡。

2总体设计方案

两轮直立智能平衡机器人根据运动特性可分为机械系统和控制系统两个主要部分，其中控制系统主要包括：电机、驱动电路、姿态检测系统、电源电路以及MCU 控制器等。本设计主要研究智能平衡机器人的控制系统，其主要的任务是：检测机器人车体倾倒的角度和角速度，以及直流电机的转速和转向，调节机器人行进的速度以实现机器人系统的平衡控制。

2.1双轮智能平衡机器人的工作原理

将双轮直立平衡机器人系统简化成放置在可以左右移动的车轮上的倒立摆模型，如图2-1所示。它具有三个自由度，分别是：以倾斜角度θ为描述对象，绕x 旋转；以ϕ为描述对象，绕z 旋转；以l v 和r v 为描述对象，沿y 轴方向的位置移动。其中，θ为机器人体的倾斜角度，ϕ为机器人的旋转角度，机器人左轮的移动速度为l v ，r v 表示机器人右轮的移动速度[5]。

图2-1 两轮直立平衡机器人模型

假设系统的参数为：m 为机器人体质量，左右轮的质量为r l m m =，θJ 为机器人体转动惯量，以φJ 表示绕机器人体质心的转动惯量；r l J J =为轮子的转动惯量，R 为轮子的半径，L 为机器人体质心到两轮轴间的距离，f 为两轮间距的一半。系统的总动能包括机器人体的转动动能1T ，平动动能2T ，左右轮的转动动能3T 和平动动能4T ，以及车轮绕轴转动的动能5T [6]。它们的表达式分别如下式所示：

2

2221θ

φ

θφ J J T +

=

()

22222

1z y x v v v m T ++=

22l 321

21r r l v m v m T +=

2

2421J 21l l r r J T θθ +

= ()22252

121φφφ f m m J T r l +== 系统的总动能54321T T T T T T ++++=

()

()

()

()222222222222222

22222

12221J 2121sin 21cos 4sin 21φθφθθθθθθθθθθθθθθφ f m m J J J R m R m L R L f L R m T r l l l r r r r l l r l r l ++++++++⎪⎭

⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+--+-=

依据对双轮直立机器人的动力学和运动学分析可知：控制机器人车模直立平衡的条件是能够精确测量车模倾角的大小和倾倒角速度的大小以及可以控制车轮的加速度。

2.2机器人平衡控制系统方案分析

根据双对轮直立智能机器人的动力学和运动学分析设计平衡控制系统。双轮

直立智能机器人的平衡控制系统采用S08微控制器作为控制系统的核心控制器，采用倾角传感器 和加速度传感器组成姿态传感器来检测车体平台的倾斜角度和倾倒速率，采用光电码盘测量机器人的行进速度，运用PWM 脉宽调制技术控制直流电机；姿态传感器的检测输出为反馈信号输送给控制器，根据反馈信号采用PID 控制算法调节控制器输出的PWM 脉宽的占空比，从而改变伺服电机的转速以实现系统的平衡。，双轮直立智能机器人平衡系统的组成如下图2-2所示：