一種自平衡兩輪移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

張 琦，胡天鏈

西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽 621010

一種自平衡兩輪移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

張 琦，胡天鏈

西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽 621010

本文基于仿人智能控制研究了有關(guān)自平衡兩輪移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制問題，通過分析自平衡兩輪移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性，設(shè)計(jì)了基于動(dòng)覺智能圖式仿人智能控制的控制器，并在嵌入式RT-Linux操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)。本文還應(yīng)用Matlab/Simu2link仿真軟件進(jìn)行了機(jī)器人的仿真實(shí)驗(yàn)，并得到了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

兩輪移動(dòng)機(jī)器人；仿人智能控制；動(dòng)覺智能圖式；ARM9；RT-Linux

0 引言

自平衡兩輪機(jī)器是一個(gè)典型的非線性、強(qiáng)耦合、多變量、時(shí)變和自然不穩(wěn)定系統(tǒng)，是近年來研究倒立擺與機(jī)器人控制問題的又一研究平臺(tái)，是檢驗(yàn)各種控制理論的理想模型。仿人智能控制理論從分層遞階智能控制系統(tǒng)的最低層（運(yùn)行控制級）著手，充分應(yīng)用已有的控制理論成果和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果，直接對人的控制經(jīng)驗(yàn)、技巧和各種直覺推理邏輯，即人體的動(dòng)覺智能進(jìn)行測辨、概括和總結(jié)，并將其編制成各種簡單實(shí)用、精度高、能實(shí)時(shí)運(yùn)行的控制算法(動(dòng)覺智能圖式)，直接應(yīng)用于實(shí)際控制系統(tǒng)。本文依據(jù)動(dòng)覺智能圖式的仿人智能控制理論實(shí)現(xiàn)兩輪移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，對自平衡小車機(jī)器人提出了控制思想。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以自平衡兩輪機(jī)器人行走方向?yàn)閄軸，車輪軸線為Y軸，鉛垂線為Z軸，設(shè)整機(jī)質(zhì)心為P點(diǎn)，系統(tǒng)模型可簡化為如圖1所示。

可以看出，該系統(tǒng)具有3個(gè)自由度：繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)角θP和角速度ωP；沿x軸的直線運(yùn)動(dòng)，位移xrm和移動(dòng)速度vrm；繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)角βz和角速度ωP，在下文中即以該6個(gè)變量為狀態(tài)變量。系統(tǒng)的平衡靠電動(dòng)機(jī)施加在左右輪軸上的驅(qū)動(dòng)力矩TL和TR控制，系統(tǒng)的輸入變量為TL和TR，輸出變量為xrm，vrm，ωP和βz，屬于典型的多輸入多輸出系統(tǒng)。

圖1 自平衡兩輪機(jī)器人系統(tǒng)模型

2 基于仿人智能控制的控制器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的控制方法必須基于被控對象的精確模型，而仿人智能控制的主導(dǎo)思想是對人的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行宏觀模擬，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究人的控制行為并加以模擬，它的主要研究目標(biāo)不是被控對象，而是控制器本身如何對控制專家行為進(jìn)行模擬。

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人良好的平衡穩(wěn)定性控制和對參考速度的跟蹤，需要對vrm，θP分別設(shè)計(jì)一個(gè)仿人智能控制器，內(nèi)含運(yùn)行控制級及參數(shù)校正級，對兩個(gè)控制器的輸出設(shè)計(jì)了權(quán)重協(xié)調(diào)控制器，根據(jù)機(jī)器人小車的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可求出其左右輪速作為控制輸出。

2.1 運(yùn)行控制級的設(shè)計(jì)

圖2 運(yùn)行控制及的特征模型

1）當(dāng)偏差很大時(shí)對應(yīng)圖2中區(qū)域①采用Bang - Bang控制，盡快地減小誤差；

2）在偏差及偏差變化率均很小(已滿足要求)時(shí)，對應(yīng)圖2中區(qū)域⑥，采用保持模態(tài)控制；

3）在偏差減小過程中，若偏差變化速度低于或等于預(yù)定的速度時(shí)，對應(yīng)圖2中區(qū)域②，采用比例模態(tài)控制；

4）在偏差減小過程中,若偏差變化速度大于預(yù)定的速度時(shí)，對應(yīng)圖2中區(qū)域③及區(qū)域⑤，在比例模態(tài)的基礎(chǔ)上引入微分模態(tài)，形成比例加微分的控制模式；

5）在偏差減小過程中引入微分模態(tài)仍不能使偏差變化速度減小到預(yù)定的速度范圍時(shí)，對應(yīng)圖2中區(qū)域④，引入正反饋抑制偏差變化速度；

6）在偏差增大過程中，對應(yīng)圖2中區(qū)域⑦，為了抑制偏差的增大，使偏差盡快回頭，采用比例模態(tài)加微分模態(tài)的控制模式。

圖3 硬件框圖

2.2 控制器實(shí)現(xiàn)

自平衡兩輪移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)由直流伺服電機(jī)、光電編碼器、陀螺儀、傾角傳感器、藍(lán)牙模塊、S3C2440主控芯片等構(gòu)成。陀螺儀、傾角傳感器感知機(jī)器人姿態(tài)，主控器依據(jù)仿人智能控制算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人姿態(tài)控制由藍(lán)牙接收PC機(jī)指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人遙控操作。硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)在嵌入式RT-Linux操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)。該OS具有開放源代碼、體積小、執(zhí)行速度快、較好的可裁減性與移植性等特點(diǎn)。開發(fā)過程為，首先在PC機(jī)通過交叉編譯器GCC編譯用戶程序，生成能在目標(biāo)板上執(zhí)行的二進(jìn)制文件，然后通過串口或NFS方式將用戶程序下載到目標(biāo)板上，利用PC機(jī)對目標(biāo)程序進(jìn)行仿真調(diào)試。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了對樣車試驗(yàn)情況進(jìn)行進(jìn)一步深入的分析，我們對試驗(yàn)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了即時(shí)采集，通過藍(lán)牙適配器傳送到PC計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。

取車體平臺(tái)最初傾角θP約6°(0.1弧度)，初速度為0，在平衡狀態(tài)下(沒有設(shè)定)采集到的有關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后生成的實(shí)驗(yàn)曲線如圖4所示。

為使擺桿回到平衡位置，擺桿開始角速度較大，然后迅速收斂到0，擺桿角速度和角度調(diào)整時(shí)間分別為：1.3s和1.2s。通過對樣車的實(shí)際行走實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以被穩(wěn)定地控制在零點(diǎn)位置，并且具有較強(qiáng)的抗干擾魯棒性，即在控制過程中對車體平臺(tái)施加擾動(dòng)使擺角產(chǎn)生變化，當(dāng)所施加的擾動(dòng)使擺角產(chǎn)生的偏差在一定范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)均能夠快速的恢復(fù)到平衡的零點(diǎn)位置。

給系統(tǒng)一個(gè)階躍信號，圖5是倒立擺移動(dòng)速度響應(yīng)曲線，其調(diào)整時(shí)間為1.3s。而移動(dòng)速度的跟蹤與平衡控制是相互耦合的，移動(dòng)速度跟蹤可看成是對平衡控制的擾動(dòng)，使得倒立擺的移動(dòng)速度趨于給定值，移動(dòng)速度跟蹤相對要慢一點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：系統(tǒng)跟蹤速度快，控制簡單，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的控制目標(biāo)。

圖4 角速度與傾角曲線圖

圖5 移動(dòng)速度曲線圖

4 結(jié)論

本文分析了自平衡兩輪移動(dòng)機(jī)器人的物理運(yùn)動(dòng)特性，設(shè)計(jì)了基于動(dòng)覺智能圖式仿人智能控制的控制器。應(yīng)用Matlab/ Simu2link仿真軟件進(jìn)行了機(jī)器人的仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了自平衡兩輪移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的倒立穩(wěn)定控制，并得到了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)證明，仿人智能控制方法模擬人控制器的動(dòng)覺智能為解決復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制提供了一個(gè)有效途徑。

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1674-6708（2010）23-0246-02