基于自平衡算法的移動機器人系統(tǒng)研究與設(shè)計

程楚錦 王龍 劉杰 黃心怡 劉天

摘 要：本文主要設(shè)計自平衡算法的移動機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電機、陀螺儀、加速度計和控制系統(tǒng)等組成，通過加速度計和陀螺儀等傳感器獲取車身姿態(tài)信息，并通過控制電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)自行平衡。轉(zhuǎn)向控制可以通過改變電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)，速度控制可以通過PID控制實現(xiàn)。通過對實驗結(jié)果分析，平衡效果達到預(yù)期目標。

關(guān)鍵詞：自平衡；轉(zhuǎn)速控制；螺儀

一、自平衡原理

自平衡移動機器人的平衡控制原理，可以很直觀地從生活經(jīng)驗中獲取。例如在生活中，拿一根筷子豎著擺放在手掌中，為了保持筷子不倒，需要用眼睛時刻觀察筷子的傾倒趨勢，同時手掌順著筷子傾倒的方向移動，手掌移動的速度需要跟隨筷子傾倒的速度，這樣才能保持筷子始終不倒。從中可以發(fā)現(xiàn)眼睛的觀察和手掌的移動是兩個必備的條件，這樣便構(gòu)成了具有負反饋機制的控制系統(tǒng)，如圖1所示。

二、自平衡移動機器人系統(tǒng)動力學建模

基于飛輪平衡控原理搭建了一款單輪車機器人，根據(jù)其結(jié)構(gòu)，設(shè)計出如圖2所示的自平衡移動機器人，運用飛陀螺效應(yīng)，采用兩側(cè)對稱分布的結(jié)構(gòu)形式將飛輪安裝在樣機上，通過雙飛輪進行橫滾方向和航向角度的控制，并將機器人整體看作倒立擺進行俯仰控制。

三、自平衡移動機器系統(tǒng)算法設(shè)計

自平衡移動機器人控制方法主要包括姿態(tài)控制、轉(zhuǎn)向控制和速度控制。姿態(tài)控制是指通過加速度計和陀螺儀等傳感器獲取車身姿態(tài)信息，并通過控制電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)自行平衡。轉(zhuǎn)向控制可以通過改變電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)，速度控制可以通過PID控制實現(xiàn)。此外，還可以通過機器學習等算法實現(xiàn)更加智能化的控制方法。常用的算法包括PID控制算法、卡爾曼濾波算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。

（一）PWM電機調(diào)速

先對電機調(diào)速以及電機正反轉(zhuǎn)控制，是利用PWM技術(shù)，并根據(jù)需要改變占空比，從而達到來改變直流電機上電壓的占空比，進而改變平均電壓，控制電機的轉(zhuǎn)速。如圖3所示。

（二）姿態(tài)解算

陀螺儀和加速度數(shù)據(jù)的融合（MPU6050）當實現(xiàn)了電機調(diào)速之后，如何獲取姿態(tài)信息，采用MPU6050測小傾斜的角度。mpu6050是一個加速度計和角速度計集成一體的六軸芯片?？梢詼y出當前物體的加速度和角速度。然后融合得出當前姿態(tài)角，采用融合濾波的方法實現(xiàn)2種傳感器的數(shù)據(jù)融合，以克服加速度計的動態(tài)誤差和陀螺儀的漂移誤差，即以加速度計獲得的角度信息對陀螺儀輸出信息進行校正，通過對比積分所得到的角度與加速度所得到的角度之間的偏差來改變陀螺儀的輸出，從而使積分的角度逐步跟蹤到加速度傳感器所得到的角度。該方法利用加速度計所獲得的角度信息與陀螺儀積分后的角度進行比較，將比較的誤差信號經(jīng)過比例系數(shù)1/Tg放大后與陀螺儀輸出的角速度信號疊加然后進行積分。對于加速度計給定的角度，經(jīng)過比例、積分環(huán)節(jié)之后產(chǎn)生的角度。數(shù)據(jù)濾波融合過程如圖4所示：

【參考文獻】

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課題項目：湖北汽車工業(yè)學院2023年度大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“智能車度獨輪組”（DC2023094）。