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：22221θφθφ J J T +=()222221z y x v v v m T ++=22l 32121r r l v m v m T +=22421J 21l l r r J T θθ += ()22252121φφφ f m m J T r l +== 系统的总动能54321T T T T T T ++++=()()()()2222222222222222222212221J 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：图2-2平衡控制系统框图3微控制器和检测电路设计3.1 S08微控制器Freescale半导体公司的8位MC9S08AW60微控制器有特性如下[8]：中央处理器单元•高达40MHz CPU时钟频率和20MHz内部总线频率,工作电压为4.5V至5.5V，且温度范围为-40℃到85℃。

•最多拥有32个中断/复位源。

•多达62KB片上可编程Flash存储器，具有模块保护和安全选项功能。

•长达2KB的RAM（内存）。

•安全电路防止未经授权的访问内存和闪存内容。

省电模式与系统保护•两种停止节电模式和一种等待节省模式。

•允许时钟保持启用特定外设站模式。

•低压检测复位或中断。

•非法操作码检测复位。

•非法地址检测复位。

•闪光块保护。

时钟源的选择•可连接外部振荡器（XOSC），晶体或陶瓷谐振器的低频范围是31.25KHz到39.0625KHz，其高频范围是1MHz至16MHz。

•可选的看门狗复位，微控制器工作正常重置选项专用1千赫的内部时钟源和时钟总线。

输入/输出•具有6个通用I/O端口。

•I/O引脚用做输入端时，可软件选择上拉电阻；用做输出端时，可软件选择强/弱驱动能力和压摆率。

SW图3-1 MC9S08微控制器最小系统电路图3.2角度和角速度检测模块加速度传感器MMA7260 采用信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术。

该器件带有低通滤波和0g 补偿，提供休眠模式，低功耗，性能稳定，抗震动能力强[9]。

因而是电池供电的无线数据采集的理想之选。

SCA610-CA1H1G 倾斜角度传感器是VTI 公司采用电容式3D-MEMS 技术设计、生产的陀螺式倾斜角度传感器。

此倾斜角度传感器具有显着的负载能力和非常好的冲击耐久性，并且在全温度区都能表现出它卓越的可靠性，超凡的稳定性和高精度[10]，单电源供电压+5V ，模拟电压输出范围4.75V--5.25V ，测量量程±1g （±90度），八引脚塑料表贴封装，增强的失效检测功能，数字激活式电气自我检测功能，校正存储器的奇偶校验核实功能，连续连接失效检测功能，传感组件的频率响应可控，兼容ROHS 标准，支持无铅焊。

机器人车体的倾斜角度和由SCA610-CA1H1G 直接输出，角速度可由角度信息微分得到，再依据MMA7260的输出对角度和角速度进行补偿矫正，从而得到精确且稳定的角速度和角度信息。

综合考虑，本设计选择由MMA7260和SCA610-CA1H1G 组成的角度检测传感器。

可以根据逻辑输入引脚g-Select 1和g-Select 2的输入电平选择MMA7260的灵敏度（见表3-1）。

依据MMA7260的说明书，图3-2中阻容滤波电路的选择电阻Ω=K R 1,电容F C μ1.0=。

高精度单轴倾斜角度传感器SCA610-CA1H1G 接线如图3-3所示,图中电阻Ω=K R 1,电容F C μ1.01=,电容nF C 470=。

表3-1 MMA7260的控制引脚g-Select 与灵敏度选择图3-2 MMA7260典型接线图图3-3 SCA610-CA1H1G接线图双轮直立机器人所采用的姿态角度检测系统主要由加速度计MMA7260、倾角传感器SCA610-CA1H1G、S08微控制器、滤波电路等部分组成。

姿态检测系统的硬件平台如图3-4,由微处理器S08对SCA610-CA1H1G和MMA7260的输出进行高速A/D采样后,对倾斜角度和角速度数据进行处理和补偿, 由加速度计MMA7260对倾角传感器SCA610-CA1H1G进行补偿矫正得到准确的姿态角度信号,再通过微分得到系统倾倒的角速度，此位置信息再通过PID控制器运算,输出PWM 信号,进而对电机进行控制。

图3-4 姿态角度检测系统框图3.3速度传感器速度传感器采用固定在直流电机输出轴上的光电码盘，如图3-5所示。

由于光电码盘输出数字脉冲信号，因此可以直接将这些脉冲信号连接到微控制器S08的计数器端口。

每个光电管输出两个脉冲信号，通过S08的计数器检测一路脉冲信号的频率得到电机的转速。

由于其输出的两个脉冲信号波形相同，只是相位相差90°，如果电机正转，第二个脉冲落后90°；如果电机反转，第二个脉冲超前90°；因此还可以判断电机的正反转[13]。

图3-5光电码盘测速电路4驱动电路及电源模块设计4.1微型直流电机微型直流电机的效率一般都要高于其他类型的电机，且在相同的输出功率的情况下直流电机体积一般都比较小，合适应用在空间位置有限的场合，微型直流电机可以根据负载大小自动调速，以达到极大的启动扭矩。