基于PID控制的兩輪自平衡機(jī)器人設(shè)計(jì)

摘 要：體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活的輪式機(jī)器人適用于狹小危險(xiǎn)的環(huán)境中，但二輪結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)具有高度不穩(wěn)定性，通過PID控制滿足其多變量、非線性、強(qiáng)耦合、參數(shù)不確定性等特性。本設(shè)計(jì)采用陀螺儀加速度傳感器MPU6050，使其自帶的DMP完成陀螺儀數(shù)據(jù)與加速度計(jì)的數(shù)據(jù)融合，以此來檢測(cè)機(jī)器人所處的俯仰狀態(tài)和狀態(tài)變化率，通過高速中央處理器計(jì)算相應(yīng)數(shù)據(jù)并發(fā)送指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的加速度來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的姿態(tài)控制和人機(jī)交互。

關(guān)鍵詞：二輪自平衡機(jī)器人；陀螺儀；PID控制；加速度計(jì)

引言

移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)的一個(gè)重要分支，對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的研究可追溯至20世紀(jì)60年代。移動(dòng)機(jī)器人得以快速發(fā)展的主要原因有兩方面：一是其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛；二是相關(guān)學(xué)科如計(jì)算、傳感、控制等技術(shù)的飛速發(fā)展。

2011年發(fā)生在日本福島的核電站泄漏事故，造成16萬日本民眾被迫搬離家園，12.5公里的地區(qū)被劃為禁區(qū)，在這種危險(xiǎn)惡劣的環(huán)境下，只有依靠移動(dòng)機(jī)器人來進(jìn)行探測(cè)和偵察。此外，隨著移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，面臨的環(huán)境和任務(wù)也越來越復(fù)雜，機(jī)器人要經(jīng)常工作于一些空間狹小、轉(zhuǎn)角較多的工作場(chǎng)合。如何在復(fù)雜的環(huán)境下靈活快捷的執(zhí)行各種任務(wù)是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。兩輪自平衡機(jī)器人的概念就是在這樣的背景下提出的。兩輪機(jī)器人是一個(gè)高度不穩(wěn)定且變量多、非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，需要電機(jī)的控制來維持姿態(tài)的平衡。通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪并與傳感器、微處理器及機(jī)器人自身機(jī)械裝置共同協(xié)調(diào)來實(shí)現(xiàn)二輪機(jī)器人的自平衡，是集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合復(fù)雜非線性系統(tǒng)。

1 兩輪機(jī)器人的平衡原理

1.1 兩輪平衡機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

自平衡機(jī)器人的種類繁多，但結(jié)構(gòu)上主要應(yīng)用三層構(gòu)架，自上而下依次為電池層，主控層以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)層，如圖1所示。電池層用于放置給整個(gè)系統(tǒng)供電的6V鋰電池，主控層由主控芯片最小系統(tǒng)和傳感器模塊組成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)層接受單片機(jī)信號(hào)并控制電機(jī)。

1.2 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的受力分析及平衡原理

兩輪結(jié)構(gòu)是一個(gè)高度不穩(wěn)定系統(tǒng)，在重力作用下其姿態(tài)本征不穩(wěn)定，如圖2所示，若無外加調(diào)控，兩輪機(jī)器人必然無法實(shí)現(xiàn)自平衡。

如圖3所示，理想狀態(tài)下，當(dāng)M（機(jī)器人重力）的方向與H（車輪支持力）的方向相差180°時(shí)，系統(tǒng)此時(shí)受力平衡，可以達(dá)到穩(wěn)定不倒的狀態(tài)，θ角度為0°。但自然界存在各式各樣的干擾，θ角度總不為0，只要產(chǎn)生θ角，即使角度很小，M的方向與H的方向亦產(chǎn)生了角度，合力不為0，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律可知，θ角度將越來越大，直至車體傾倒在地上。

由此可知，導(dǎo)致車體傾倒的最大因素是θ角度的產(chǎn)生，因此，欲使兩輪機(jī)器人平衡，需要消除θ或者將θ角度控制在一個(gè)足夠小的范圍內(nèi)。其整體控制環(huán)路如圖4所示。

消除θ角度的有效方法，是通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)車體下部的移動(dòng)，以保持與車體上部在一水平垂直線上。

2 兩輪自平衡系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

2.1 硬件方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用STM32C8T6為主控芯片，通過IIC接口讀取陀螺儀加速度傳感器MPU6050的數(shù)據(jù)，通過Inven Sense（生產(chǎn)MPU6050）公司提供的DMP庫從FIFO中得到小車的姿態(tài)，最終通過PID輸出PWM電機(jī)控制信號(hào)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成對(duì)電機(jī)的控制。此外，為了調(diào)試方便，除了設(shè)計(jì)了上述給模塊外，還擴(kuò)展了UART接口，用于仿真調(diào)試，同時(shí)擴(kuò)展了串口下載電路，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)將需要觀察的數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)诫娔X上，以記錄數(shù)據(jù)和繪出數(shù)據(jù)波形，查看濾波和PID效果。

2.2 PID控制器的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中使用雙環(huán)PID控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的平衡控制。信號(hào)流圖如圖5所示。

本設(shè)計(jì)采用雙環(huán)PID控制，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，用于控制電機(jī)輸出，使車輪轉(zhuǎn)速與角度環(huán)輸出值保持一致；外環(huán)為角度環(huán)，用于保持小車傾斜角度為0。圖5中U為系統(tǒng)輸入，即小車傾斜角度的目標(biāo)值，該值一直為0。X0為系統(tǒng)角度環(huán)輸出值，即小車電機(jī)轉(zhuǎn)速目標(biāo)值。X1為輪子轉(zhuǎn)速，Y為小車實(shí)際的傾斜角度。Z為系統(tǒng)擾動(dòng)輸入由于本設(shè)計(jì)采用鋰電池供電，電源的輸出功率有限，而且調(diào)整小車傾角時(shí)電機(jī)需要頻繁起制動(dòng)，對(duì)電源功率要求較高，會(huì)引起電源較大幅度的擾動(dòng)，所以在本系統(tǒng)中主要的擾動(dòng)為電源電壓的擾動(dòng)。內(nèi)環(huán)PID控制器控制流圖如圖6所示。

3 結(jié)束語

兩輪自平衡機(jī)器人具有體積小，運(yùn)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，適用于狹小和危險(xiǎn)的環(huán)境下工作。其設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于解決前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下小車的控制策略問題。本設(shè)計(jì)通過對(duì)MPU6050中的DMP運(yùn)用，得到一個(gè)小車傾角的最優(yōu)近似解，便于控制器處理。設(shè)計(jì)了多環(huán)PID控制器，通過實(shí)驗(yàn)的方式驗(yàn)證了算法基本滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了兩輪機(jī)器人的自平衡控制。

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作者簡(jiǎn)介：陳博（1986，1-），男，陜西咸陽人，工作單位：咸陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，學(xué)歷：碩士研究生，職稱：助教，研究方向：智能控制。