自平衡两轮机器人的控制系统设计

《自平衡两轮机器人的控制系统设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、万方数据第17卷第6期机电产品开崖与钏崭V01．17，No．6』竺竺兰望=：：—：=一竺塑竺竺苎堕：!唑兰竺!!堕!垒塑!兰!坐!型竺型些兰里里兰自平衡两轮机器人的控制系统设计傅继奋1，孙汉旭1，王亮清2，肖爱平1，赵勇1，余忠华t(1．北京邮电大学自动化学院，北京100876；2．北京航天航空大学机器人研究所，北京1008761摘要：介绍了基于LF2407ADSP的两轮机器人控制器的设计，以及电机控制pID算法。利用这个控制器实现了对两轮机器人样机的轨迹控制。关键词：两轮机器人；PID控制；DSP控制系统中囤分类号：TN492文献标识码

2、：A文章编号：1002—6673(2004)06—075—03O引言由于移动机器人在各行各业具有广泛的应用前景，对移动机器人的研究已成为机器人研究的一个热点研究领域。其中轮式机器人由于其机构简单、成本低等特点，成为移动机器人研究的一个方向。目前大多数轮式机器人的载体都是具有导向轮的三轮或四轮小车布局，l需要通过导向轮来平衡电机或马达的驱动力矩，从而使得驱动力矩能够克服摩擦力矩，驱动小车的运动；本文介绍的两轮机器人属于差动轮式移动机器人，其主要的特点是没有冗余的平衡轮或导向轮作为平衡轮，其驱动方式也不同于一般的轮式机器人的驱动方式，驱动电机

3、的主要功能是保持重心向下不动的前提下，驱动两轮机器人的两轮相对重心作转动，从而使其前进、后退、灵活转向和原地转圈。两轮机器人的控制系统决定着机器人性能。我们采用了LF2407ADSP芯片，作为机器人的主控芯片，它具有高速低功耗，多电机控制等优点。本文将详细介绍基于该芯片的两轮机器人控制器的硬件及软件结构。1两轮机器人控制系统设计我们设计的两轮机器人采用差动轮式驱动方式，具有机构简单，运动控制简单、灵活，能够使机器人方便的实现前进、后退，灵活的改变现在的运动方向，并能在狭隘的空间中实现快速的自由移动和绕自身几何中心j的零半径转弯等特点。图1

4、为这种鼹轮机器人的结构简图，其两轮分别由两个电机驱动，每台电机与一个轮构成一个速度闭环系统。两个轮子外缘设计了防倾倒半球外壳，这种设计使得机器人在复杂环境中永远保持平——收稿日期：2004—05—31作者简介：傅继奋(1977一)，男，硕士研究生。研究领域：机：器人。图l两轮机器人结构简图鸭l岛融ch阳删知嘴0ft帅训蒯蝴衡，不至于倾倒，永保其运动能力。两轮机器人控制系统的硬件需要解决的主要问题是：①每个轮子的速度检测；②两轮机器人行驶距离的检测；③控制系统可以对每个车轮进行单独的控制；④控制系统应具有抗干扰能力。两轮机器人样机的驱动为两

5、个直流力矩电机。两个增量式光电码盘用于检测每个车轮的转速，以便进行速度和位置反馈。两个红外传感器用于避碰检测。无线串口通信模块用于与控制计算机之间的通讯，进行自主的路径规划。航模无线接受模块用于接受FU7rABA航模无线遥控器的控制。两轮机器人光电码盘1光电码盘275万方数据·测试与控制·的主控芯片采用TMS320LF2407ADSP。它有两个事件管理器模块(EVA&EVB)，集DsP的信号高速处理能力和适用于电机控制的外围电路于一体，大大减少了控制系统的体积，提高了系统的性价比。图2所示为基于ⅡI脚ADSP芯片的控制器硬件结构图。EVA

6、的比较单元输出PWMl和EVB的比较单元输出PWM7，作为电机专用驱动芯片LMl8245的驱动信号，驱动两个直流力矩电机。定时器1和3分别作为PWMl和PWM7的时基，同时定时器3为伺服控制提供采样时基，采样周期为1ms。在每个采样周期内，根据控制算法的计算值，对比较寄存器CMPlll、CMPR3进行更新，输出PWM波，分别控制两个电机。两个正交编码脉冲电路(QEPl、2和QEP3、4)用来获得电机1、2的光电编码器信息，分别由定时器2和定时器4提供时基。端口10PF5和10PF6用于采样红外测碰信号。用FUTABA航模遥控器来实现对两轮

7、机器人的手控，航模无限发射器发送的控制信号由c印3和c印6捕获口进行实时采样，采样方式采用上升下降沿捕获方式，减少了系统资源的占用。系统中利用SCI接口完成与上位机的通讯功能，采用RS一232通讯。通过上位机可以进行任务给定，程序固化在片内的FLASH程序存储器中，由看门狗定时器完成程序跑飞后的系统复位。整个硬件系统充分利用了DSP内部资源，实现了系统结构的简化，同时提高了系统的可靠性。两轮机器人控制系统软件需要解决以下几个问题：①控制两轮机器人的行驶距离；②控制两轮机器人按照特定的轨迹行驶；③控制两轮机器人按照特定的速度前进。为完成以上

8、的任务，控制系统软件需通过硬件采集电机转速、红外信号等传感器信号，然后利用相应的控制算法对机器人进行轨迹控制。两轮机器人控制系统的软件结构如图3所示。PID．c子程序为底层控制模块，主要负责电