基于PID控制算法的自平衡机器人.docx

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1、基于PID控制算法的自平衡机器人随着机器人研究的进一步深入，在工业生产、安防系统、智能家居、物流网等领域的应用更加广泛，在实际应用中，可能遇到复杂的任务环境。相比多轮的轮式机器人,两轮自平衡机器人体积小，运动灵活，能够在比较狭窄、需要大转角的场合中运动。这种机器人两轮共轴，可以通过运动保持自身平衡，能实现前进、后退、转向、原地静止等基本运动功能，由于其结构特殊，能适应不同的地形环境，研究两轮自平衡机器人,具有重要的意义。本设计以两轮车模为研究平台，以恩智浦公司32位微处理器MK60FX512VLQ15为控制核心。通过加速度传感器和陀螺仪，设计滤波算法，实现了倾角的测量；通过设计MOS电机驱动电

2、路，使用单片机输出PWM,实现了电机速度控制；通过编写控制算法，实现了两轮车模的自平衡功能；通过编码器测量电机转速，对速度进行闭环控制，实现了两轮自平衡机器人的速度控制功能。最终通过无线遥控器，使小车能够在自平衡的基础上,实现自由运动的任务。目录1绪论01.1 研究目的和意义01.2 国内外发展现状01.3 设计内容12总体设计方案22. 1设计思路23. 2硬件设计方案34. 3机械结构设计方案43硬件电路设计65. 1单片机最小系统电路66. 2加速度传感器模块77. 3 陀螺仪模块88. 4 电机驱动模块99. 5电源管理模块104软件程序设计1210. 1系统流程图：1211. 程序初

3、始化:1312. PID控制算法：164. 3. 1PID控制算法介绍 164. 3.2PID控制算法参数整定 184.4倾角估计算法：194. 4. 1互补滤波法204. 4.2卡尔曼滤波法 214.5直立控制程序设计214. 6速度控制程序设计254.7方向控制程序设计275开发工具及调试结果305. 1开发工具介绍305. 1. 1 MDK 介绍305. 1. 2 Serial Digital Scope 介绍 305. 2调试结果305. 2. 1 PID算法控制电机调试结果305. 2.1互补滤波法调试结果325. 2. 1卡尔曼滤波法调试结果336总结与展望34附录A主控板原理图与

4、PCB图35附录B电机驱动原理图与PCB图36附录C主要源程序371绪论1.1 研究目的和意义随着机器人研究的进一步深入，在工业生产、安防系统、智能家居、物流网等领域的应用更加广泛，在实际应用中，可能遇到复杂的任务环境。相比多轮的轮式机器人,两轮自平衡机器人体积小，运动灵活，能够在比较狭窄、需要大转角的场合中运动。这种机器人两轮共轴，可以通过运动保持自身平衡，能实现前进、后退、转向、原地静止等基本运动功能，由于其结构特殊，能适应不同的地形环境，研究两轮自平衡机器人，具有重要的意义。其次，两轮自平衡车还可以作为代步交通工具。相比传统的代步工具如自行车、电动车等，两轮自平衡车体积大幅减小，重力大幅

5、减。运动灵活，绿色环保。常见的轮式机器人主要是以三轮或四轮为主的多轮结构，与之相比，两轮自平衡机器人主要有如下优点：a）转向灵活，能够实现原地任意半径和任意角度转向，弥补了多轮机器人的缺点。b）体积小，对于在环境狭窄的空间中尤为适用；c）重量轻，大幅度减小了车体结构；d）绿色环保，功率小，适合于电池供电的系统，在同等能量密度电池的情况下，可以大幅度延长续航时间。1.2 国内外发展现状两轮自平衡机器人的构想来源于日本电气通信的喀左教授在1986年提出的一种自主站立式机器人的设计构思，但是由于当时的控制原理和策略还不成熟，其设计的机器人只能在单一方向运动，无法实现转弯。2002年，瑞士联邦工业大学

6、的Felix Grasser等人设计出可遥控的两轮自平衡机器人，运动速度可达到1.5ms0两轮共轴，每个轮子有独立的驱动，能实现速度控制、转弯等运动功能，两轮自平衡机器人逐渐完善。2002年，美国的赛格威公司设计了第一辆载人电动平衡车Segway,设计时速可达20kmh,并且成功推向市场，但是价格昂贵，高达5000美元。近年来，国内也有很多团队开始研究自平衡车。2004年，中国科学技术大学成功设计了一款两轮自平衡电动代步车，可实现领半径转弯。使用简单，用户经过10分钟简单的练习就可以驾驶，正常工作时，使用者通过身体前倾和后仰来控制加速和减速,通过手柄，可实现转弯，时速可达10 km/h,充满电

7、可行驶约30 kmo以上是国内外关于两轮自平衡机器人的研究与发展情况，这些研究与思想给了本课题起了很大的指导和参考作用。根据自平衡机器人的质心是否可变，可将自平衡机器人分为变质心和定质心两大类，由国内外研究现状可以看出，目前的研究热点是对定质心两轮自平衡机器人的研究。1.3 设计内容使用ARM Corte-M4内核的Freescale K60单片机为主控制器，对加速度计和陀螺仪的数据进行融合，得到车身倾角最优估计，设计M0S电机驱动电路，编写PID控制算法控制车轮，达到自主直立的目的。利用编码器构成速度反馈回路，使用PID控制算法进行速度和转向的控制，最终使其保持平衡、实现期望的运动。本文将就

8、倾角融合算法、机器人控制算法等问题展开研究，具体内容如下：1）硬件电路设计：设计制作主控电路板、电机驱动控制板。2）传感器数据融合：将陀螺仪所测数据和加速度计所测数据进行融合，得到稳定、可靠的倾角值。3）控制程序设计：通过对状态反馈控制、PID算法等方法和理论的研究，设计控制程序，使小车能够完成直立、前进、后退、转向等运动功能。4）单片机程序设计：设计单片机程序，使其具备人机交互、控制等功能。2总体设计方案2.1设计思路从控制的角度来看，电机是系统唯一的控制对象。车模运动控制任务可以分解成以下三个基本控制任务：（1）直立控制任务：车模的倾角作为控制的输入量，使用PD算法，控制车模稳定在平衡位置

9、。（2）速度控制任务：直立车模的速度控制与普通的车模速度控制不同，在直立系统中，速度控制是通过改变车模倾角来完成的。具体实施思路是，对电机转速加入干扰，使车身偏离平衡位置，以此刺激直立控制任务，从而达到控制速度的目的，速度控制使用PI算法。（3）方向控制任务：通过控制两个电机的差速来达到转向的目的，方向控制使用PD算法，使用X轴的角速度作为微分项的因子，可以极大改善转向的动态性能，避免振荡。程序设计中，三个控制任务独立进行计算。但是每一个任务的控制对象都是电机,因此它们直接也存在着干扰与耦合。在设计每一个控制任务时，为了便于分析，都假设其他两个任务是稳定的。例如，在进行速度控制程序设计时，车模

10、是能够稳定直立的;在进行方向控制程序设计时，车模的直立控制和速度控制都是稳定的；在进行直立控制时，车模的速度控制和方向控制都是稳定的。这三个任务中保持车模平衡是最关键的。由于车模同时受到三种控制的影响，从车模平衡控制的角度来看，其它两个控制就成为它的干扰。为了避免影响车模平衡控制I,这个车模倾角的改变需要非常缓慢的进行。因此，虽然三个控制任务独立运行，但是它们之间有优先级，即控制应该最优先满足直立的要求，其次是方向控制的要求，最后才是速度控制的要求。直立控制其法 厂 V速度控制算法 K60微控制器 K方向控制算法图2.1系统结构框图2. 2硬件设计方案本系统采用一个主控电路板+一个电机驱动电路

11、板的结构，将两者分开设计，一是r以避免电机驱动对主控的影响及电磁干扰，二是出于经济的考虑。主控电路板主要包括以下部分：微控制器电路、电源管理电路、微控制器接口、按键电路、蜂鸣器电路。其中，电源管理电路分为3. 3V电源管理电路和5V电源管理电路，5V管理电路使用LM2940三端线性稳压器，输入7. 2V电池电压，输出5V电压。3. 3V管理电路使用LM1117三端线性稳压器，输入接LM2940的5V电压，输出3. 3V电压。考虑到本系统中器件、传感器较多，因此5V管理电路和3.3V管理电路均使用两个。微控制器接口主要包括：OLED接口、蓝牙接口、MMA7361传感器接口、L3G4200D传感器

12、接口、编码器正交解码接口 2个、四通道PWM接口、遥控器解码接口，以及预留10,方便调试使用。图2. 2主控电路板结构图3. 3机械结构设计方案车模的整体机械结构对整个系统有直接影响，因为系统是在机械结构上实现的。车模的机械参数如车体重心、车身高度、传感器排布与布局、齿轮松紧度等，都对整个系统起着至关重要的作用，良好的机械结构可以使系统更稳定。经过多次测试与调试，我们发现重心越低越好，越集中越好，重心低会使控制更顺滑，直立更稳定，抗干扰能力更强，而重心集中则会让车模转向更加灵活。因此，尽量降低重心，使结够更紧凑，是机械调整中最重要的部分。整个系统中，重量最重的当局7.2V馍镉电池，甩池的安放高

13、度，大大影响整个系统的重新高度，本系统中，将电池座通过螺丝和热熔胶固定在较低的位置，电池则通过扎带捆绑在电池座匕系统中的两块电路板体积较大，重力则仅次于电池，并且还有导线、传感器等连接在电路板上，因此应该将电路板尽量放低，对于降低重心也有极大帮助。加速度计易受电机振动的影响，车模上最受震动影响最小的位置在轮轴中心附近。加速度计Z轴在垂直于水平面的角度附近灵敏度最高。因此将加速度计以垂直于水平面的角度安装在轮轴中央，使用热熔胶加以固定。图2. 3机械结构图3硬件电路设计3.1 单片机最小系统电路恩智浦K60（原飞思卡尔）系列单片机，是基于ARM Corte-M4处理器内核的超低功耗、混合信号微控

14、制器,Cortex合4内核带制P指令,性能可达L 25 DMIPS/MHz （部分型号集成浮点运算单元）。本系统使用MK60FX512VLQ15单片机为控制核心，该单片机主频高达150MHz,内部集成512KB Flash、144KB SRAM,可以轻松应对大多数的嵌入式应用场合。片内集成了4个可配置分辨率的高速16位模数转换器（ADC）、两个12位数模转换器（ADC）、4个可输出PWM的高速比较器、6个支持IrD的UART、3个硬件IIC总线接口和3个硬件SPI总线接口、32通道DMA控制器以及大量的多功能定时器，丰富的片内外设资源，不仅大大减轻了系统设计的困难，还有效降低了成本。止匕外，该单片机提供十种低功耗模式，运行功耗低至350uAMHz,静态功耗低至5. 6uA,在高性能应用场合也可有效降低系统功耗，降低发热量。该单片机采用LQFP144封装，性能优良，能够胜任本设计要求。OND DEl4kk 普芬rk5zk1 ，- 5D1 JAT二二？二二x6 9go _二二二羊而醉解伴府伴静伴,F2F94f8F二u 66SJXH6 XU3t4,U9E6)工洌工=xuE2Em二Es二 E9-EEold一 OUoaunowd-oldr-xd9TB2PTHJPTE4PTB5PTE6