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1、机器人技术基础结课报告机器人技术基础结课报告学院：电气工程与自动化学院 题目：单球自平衡移动机器人的运动控制和稳定平衡控制系统设计班级：自动化132班学号：14学生姓名：蔡一能指导老师：刘飞飞 2016年5月27日摘 要近年来，球形机器人成为机器人领域的研究热点之一。球形机器人的种类较多，形状各异。有的球形机器人是具有球形外壳，所有机械结构、控制器件和能源供给部件均密封在球壳之内。这种球形机器人具有摩擦小、耗能低、结构紧凑、空间利用率高、密封性好、防尘、防震、不易跌倒、可以实现全向滚动等优点。与传统的移动机器人，如轮式、脚式和履带式机器人等相比，具有良好的发展潜力，在军事、交通、监控、搜救、玩
2、具、娱乐等领域具有广泛的应用前景。本项目研究另一种独特的球形机器人，称为单球自平衡移动机器人，又名单球轮移动机器人。单球自平衡移动机器人是一种全新概念的移动机器人，可以在单一的球形驱动轮上达到动态稳定，并且能够通过球形驱动轮灵活、全方位的进行移动，是一种具有动态稳定性的移动机器人。移动机器人按移动机构划分主要有轮式、履带式、腿式、蛇形式、跳跃式和复合式1。不同驱动形式的移动机器人根据各自的特点都有各自相应的应用场合，其中履带式机器人由于接地压力小的特点，在松软的地面附着性能和通过性能好，适用于爬楼梯、越障；腿式机器人可以满足某些特殊的性能，能适应复杂的地形；蛇形式和跳跃式机器人一般在复杂环境、
3、特殊环境和机动性等方面具有其独特的优越性。这些机器人虽然在各自的应用领域都有很大的优势，但是却都有着一个共同的弊端无法进行灵活自由的转向和全方位的移动，在与人协作时，不能快速的跟随人的动作对运行方向做出改变，从而限制了人机协作的应用场合。倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。关键字：球形机器人，稳定性，倒立摆目录第一章 绪论11.1课题研究背景及意义11.1.1课题背景11.1.2课题研究意义11.1.3单球自平衡移动机器人的国内外发展2第二章 倒立摆系统建模与控制方法32.1 倒立
4、摆发展历史与现状32.2 倒立摆的控制原理32.3倒立摆系统数学建模42.3.1 一级倒立摆数学建模42.3.2 单球自平衡模型分析6第三章 硬件设计113.1硬件总体设计113.2硬件选择123.2.1 处理器选择123.2.2 姿态传感器选择123.3 主要硬件电路设计123.3.1 电源电路133.3.2 主芯片电路133.3.3 姿态检测电路133.3.4 电机驱动电路14第四章 传感器与控制系统检测154.1系统总体结构154.2传感器164.2.1位姿传感器164.2.2视觉传感器164.2.3听觉传感器174.2.4声纳传感器174.3 控制系统184.3.1 组织级194.3.
5、2协调级194.4电源系统20第五章 软件设计225.1 软件总体设计225.1.1 epc中的监控软件235.1.2 dsp中的控制软件245.1.3 mcu中的控制软件255.2 软件详细设计265.2.1 系统初始化265.2.2接口通讯275.2.3姿态数据采集285.3小结29第六章 单球轮模糊控制及仿真326.1控制目标326.2模糊控制器的结构设计326.3基于融合函数的模糊控制器设计336.3仿真实验356.4实验分析376.5小结38结论39参考文献40致 谢41第一章 绪论1.1课题研究背景及意义1.1.1课题背景由于单球自平衡移动机器人的动力学特性是一种复杂的、非线性系统
6、，建立力学模型的传统方法难以适用；单球自平衡移动机器人的高耦合、复杂的非线性特性，也使得单球自平衡移动机器人的控制成为富有挑战性的研究课题，因此，单球自平衡移动机器人的驱动和控制是当前研究的热点。移动机器人按照静态平衡性可分为两种类型：静力学上的稳定平衡型和不稳定平衡型。前者往往是指具备三个（或三个以上）轮子的机器人，后者多为只有两个或一个轮子的机器人。对于只有一个（或两个） 轮子的机器人，在静止状态下不能稳定平衡，若要其稳定移动必须采用动态平衡技术， 称之为动态平衡移动机器人或自平衡机器人。自平衡机器人，最显著的一般特征为质心高于支点，在重力作用下机身姿态本身不稳定，在运动中需要自身控制姿态
7、维持平衡。典型的自平衡机器人有：人型机器人、独腿机器人、两轮自平衡机器人、独轮自平衡机器人等。1.1.2课题研究意义本项目的研究对象是单球自平衡移动机器人，该机器人是一种依靠圆球体进行移动的机器人，通过圆球体的滚动来实现全方位的移动，可以在狭窄区域中进行灵活的工作。实用性上，该种机器人具有以下几个优点：1）以圆球体为支撑，不需要改变方向便可以灵活的向各方向移动；2）运动轨迹灵活，可以任意半径改变自己的运动方向，能很好的弥补传统多轮布局的缺点；3）所需要的驱动功率较小，供电电池可以长时间供电。结构上，由于单球自平衡移动机器人与地面的只有一个接触点，所以不能保持静态稳定，只能处于动态的平衡当中，是
8、一种典型的自平衡机器人，其动力学方程是一个多变量、强耦合、时变的非线性高阶微分方程组，特性复杂。同时，这种机器人系统还具有多自由度、多驱动器、多传感器的特点，是一个极为复杂的多输入多输出非线性系统，再加上其欠驱动的系统特性，可以为各种控制理论的应用和优化提供理想的研究平台。对单球自平衡移动机器人进行研究，不仅对于实现机器人与人之间灵活的人机交互有很大的现实意义，也对先进控制理论的研究具有重大的促进作用。1.1.3单球自平衡移动机器人的国内外发展移动机器人按照静态平衡性可分为两种类型：静力学上的稳定平衡型和不稳定平衡型。前者往往是指具备三个（或三个以上）轮子的机器人，后者多为只有两个或一个轮子的
9、机器人。对于只有一个（或两个）轮子的机器人，在静止状态下不能稳定平衡，若要其稳定移动必须采用动态平衡技术（Dynamic Balance），称之为动态平衡移动机器人或自平衡机器人（Self-Balancing Robot）。自平衡机器人，最显著的一般特征为质心高于支点，在重力作用下机身姿态本身不稳定，在运动中需要自身控制姿态维持平衡。典型的自平衡机器人有：人型机器人（Humanoid Robot）、独腿机器人（Single-Leg Robot）、两轮自平衡机器人（Two-Wheeled Self-Balancing Robot）、独轮自平衡机器人（Single-Wheeled Self-Bal
10、ancing Robot，SWSBR，SWR）等。单球自平衡移动机器人属于独轮自平衡机器人的一种，独轮自平衡机器人的发展为单球自平衡移动机器人的产生奠定了基础。独轮机器人的研究可以追溯到20世纪七八十年代。现在有文献记载的第一个独轮机器人是1980年日本的Ozaka等人发明的一个独轮机器人系统，机器人有一个长机械臂左右伸展，依靠沿机器人臂左右移动的质量块来维持左右平衡，前后平衡依靠机器人轮子的转动来维持，虽然没有取得良好的实验效果，但可以说开创了研究独轮机器人的先河4。斯坦福大学的Schoolwinkel等人于1986年模仿人骑独轮车研制出了第一个独轮机器人其由车轮、车架和水平转子三部分构成，
11、其中车架用来模拟独轮车的车体和人的下半身，水平转子用来模拟人的腰部躯干和手臂。他们的研究主要集中于机器人的机械结构，平衡传感器的评价等，只实现了机器人的前后稳定控制，并没有实现机器人的左右平衡控制。但通过他们的研究可以得出一个结论：如果车轮速度为零，独轮机器人系统是无法控制的。第二章 倒立摆系统建模与控制方法2.1 倒立摆发展历史与现状倒立摆系统最初研究开始于二十世纪50年代，麻省理工学院（MIT）的控制论专家们根据火箭发射的原理设计出了一级倒立摆实验装置；20世纪60年代，人们逐渐开展对倒立摆系统的研究；1966年，Schacfer和Cannon应用Bang-Bang控制理论，将一个曲轴稳定
12、在一个倒致位置；20世纪60年代后期，倒立摆作为一个典型不稳定、非线性的例证被提出，但当时主要集中在直线倒立摆系统的线性控制上面。 我国在倒立摆控制的研究方面也取得了一定的成果：1994年，北京航空航天大学张明廉教授提出了“拟人智能控制理论”，并成功的应用于用单电机对三级倒立摆的控制；2010年6 月18日，大连理工大学电子信息与电气工程学部控制科学与工程学院李洪兴教授领导的科研团队在世界上首次实现空间四级倒立摆实物系统控制，这是一项原创性的具有世界领先水平的标志性科研成果。2.2 倒立摆的控制原理以一级直线倒立摆控制系统为例，其硬件部分包括计算机、运动控制卡、电控箱、伺服系统、倒立摆本体和旋
13、转光电编码器、位移传感器等几大部分，它们构成一个闭环系统。伺服电机通过同步皮带与小车相连接，并带动小车同步运动，以此来控制小车在水平轨道上做直线运动。匀质刚体摆杆与小车相连，由小车的水平移动来控制摆杆的稳定竖直倒立。旋转光电编码器是一种角位移传感器，其输出的检测信号是数字信号，因此可以直接进入计算机进行处理，而不需放大和转换等过程，使用非常方便。可以用它准确的测出倒立摆摆杆的偏转角度。将旋转光电编码器、位移传感器、以及状态反馈信息输入运动控制器，而运动控制卡中采集的这些信息经一定的控制算法会得出控制信息并将被输入伺服电机。通过这样一个闭环系统就能达到倒立摆的稳定控制。其中计算机从运动控制卡实时
14、读取数据，计算并确定控制决策，即根据倒立摆的实时状态不断地调用相应的函数程序如速度、加速度等，经过电控箱内的转换电路产生相应的控制量，由此驱动伺服电机转动的。其原理图如下：图 2.1 直线一级倒立摆系统工作原理图其他种类的倒立摆系统大多都是基于此工作原理的。不同之处如：平面倒立摆系统的匀质摆杆运动轨迹不是一条直线，而是在二维平面内作自由运动，摆杆可沿垂直平面内的任一轴转动，其底部在二维平面内的运动轨迹不固定；旋转倒立摆的摆杆底部的运动轨迹在一个固定的圆周上；柔性倒立摆是在小车上加了一个弹性阻尼装置，这也也增大了控制难度。 2.3倒立摆系统数学建模倒立摆系统的数学建模一般有牛顿欧拉法和拉格朗日法
15、两种。对于结构相对简单的一级直线倒立摆可以使用牛顿欧拉法，先对小车和摆杆进行受力分析，并分别求出他们的运动方程。将线性化后的两个运动方程进行拉普拉斯变换。最后整理后可以得到系统的状态空间方程。但在对二级、三级以上的倒立摆进行数学建模时，这种方法就显得有些复杂。牛顿运动定律来求解质点组的运动问题时，计算量会比较大。在许多实际的运算中，求解微分方程组会遇到较大的困难。有时，还需要确定各质点间的位移、相互作用力、速度、加速度等关系来解决质点组中存在约束情况，联立求解这些方程组就更为困难。为了简化倒立摆系统的数学建模过程，本章采用了分析力学中的拉格朗日方程推导直线倒立摆的数学模型，并对该系统的可控性进行了分析。 2.3.1 一级倒立摆数学建模 在各种摩擦和空气阻力等一些次要的因素忽略不计的条件下，直线一级倒立摆系统可简化为如图 2.2：图 2.2 倒立摆系统模型 其参数意义如表 2-1 所示。其矢量方向定义如图 2.3所示:图 2.3小车及摆杆受力分析2.3.2 单球自平衡模型分析模型如图所示：图2.4 简化的BallBot
