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1、电机与运动控制专题讲座（一）,李实 博士 RoboCupJunior 中国委员会,1 先说说：运动,地面常见的运动形式轮式，履带式，腿式运动：双足行走，多足行走 一些常见的特殊运动方式：自平衡车，蛇形机器人，滑冰，飞行，水里游动,2 几种地面运动形式的比较,主要从路面适应性，结构复杂性，以及控制要求角度来比较：路面适应性： 多足运动 双足运动 履带运动 轮式运动 结构复杂性： 多足运动 双足运动 履带运动 轮式运动 控制难度： 双足运动 多足运动 履带运动 轮式运动问题：为什么自然界的生物，不能进化出轮子？都是腿式运动？几点结论： 人类双足行走，是目前已知能量消耗最小的双足运行方式 自然界的进
2、化，就是能量最优的进化 轮式运动，结构简单，控制容易，虽然对路面要求高，不过还是我们制作初级机器人的最好选择,3 轮式运动分析,双轮差速控制方式 速度方向独立控制方式 万向运动方式,4 双轮差速,双轮差速：特点：两个电机分别控制两个不同的轮子，通过控制轮子转速的差别，来实现机器人的速度与方向控制。两个轮子布置在机器人轴线上，穿过机器人相应方向的几何中心。要求机器人的重心必须与机器人的几何中心在水平面投影重合。 运动特点：可以实现回转半径为零,5 速度方向独立控制,轮子，与方向，分别控制，常见的例子包括：汽车，三轮车 结构稳定，驱动力大。 缺点：回转半径 零,6 万向运动,运动控制复杂； 可以在
3、水平移动的同时，进行旋转； 任何方向的移动与转动，都需要合成三个轮子的运动来实现； 有三轮方式，以及四轮方式。不过最少也需要三轮，四轮方式是冗余配置；,7 差速与万向运动比较,8 万向特色,由于旋转与平移的独立控制，可以实现机器人一边运动一边旋转。机器人到任意两点间的运动，都是直线； 机器人可以在曲线运动中，正方向始终面向一个方向。应用：机器人守门员，无论如何移动，可以永远盯着球的方向；,9 电机与运动,机器人的运动，就是通过控制电机的转速与转向，来实现； 机器人运动问题，本质上就是电机控制问题；电机控制的三个层面： 速度控制：通过控制速度，使机器人的运动速度恒定； 位移控制：通过控制电机速度
4、与转过的角度，来实现机器人位移（应用于万向运动）； 电流控制：通过控制电机的电流，来实现电机输出恒定扭矩；（应用于精密加工领域）,10 机器人常用的直流电机,直流减速电机； 步进电机； 无刷电机；两种容易混淆的电机：舵机；伺服电机,11 直流减速电机,两个重要结论： 电机转速，与施加给电机的电压，成正比； 电机的输出扭矩，与通过电机转子线圈的电流，成正比；减速箱的作用： 电机的转速，通过减速箱，除以减速比，降低转速； 电机的输出扭矩，通过减速箱，乘以减速比，提高输出扭矩；电机控制方法： 通过控制施加给电机的电压，以及正负极性的改变，来控制电机的转速与转向； 控制器，与驱动器的概念。控制方式：P
5、WM，驱动方式：H桥 开环控制，与闭环控制；通过检测电机的当前运转情况，反馈给控制器，然后来调节控制信号，就是闭环控制；,12 直流减速电机的控制器,控制方式：脉宽调制信号(Pulse Width Moderm, PWM)；控制器：只要是可以输出PWM信号的设备，可以包括：单片机，DSP，FPGA，PLC，等等 电机PWM控制： 电机控制的难题：电机的转速与转向，与电压大小与极性有关。所以要控制电机转速与转向，就必须控制电机两端的电压大小与方向。而电压是模拟信号，而所有的控制器，都是数字式的，也就是只能输出脉冲。 解决办法：通过调节脉冲的占空比，也就是脉冲宽度，来调节施加给电机的等效电压。 前
6、提：电机是时滞器件，而且是大延时响应 详细原理，如下图所示；,13 电机驱动器,驱动方式：H桥 驱动器：各种H桥电路，根据PWM信号，来实现电机电压大小与方向的变化； 原理如下。参考：http:/ 直流减速电机的闭环控制,闭环控制可以达到的三个层面： 速度闭环：电机可以在任何外界环境下，保持恒定的转速； 位移闭环：电机可以在允许的最大速度情况下，转过恒定的角度，然后停止； 电流闭环：电机可以在不同负载情况下，保持恒定的扭矩输出；电机反馈信号检测用传感器： 编码器：检测电机轴转动的角速度，以及转过的角度说明：编码器应该与电机同轴，并且安装在减速前端，而不是在减速后，否则精度 大大降低；编码器有光电式，或者霍尔式，不同原理。单位：线/分钟(PPM),15 闭环控制原理,控制器通过编码器，实时检测当前电机运动信息，如果电机运动状态，和期望值不一致，那么就调整PWM输出，直到电机运动与期望值一致为止。 经典控制方法：比例微分积分控制（PID） 先进控制方法：模糊控制，神经元网络控制，模糊神经元控制，等等。,16 PID控制,17 思考,如何实现万向控制算法？参考材料：万向车.pdf,18 如何进行移动机器人平台的运动系统设计？,19 下一讲内容,步进电机原理与控制 舵机原理与控制 无刷电机原理与控制双足行走的运动特性 人工肌肉简介,谢谢,
