（模式识别与智能系统专业论文）两轮移动式倒立摆机器人的研究.pdf

本文应用动力学理论对两轮式倒立摆机器人进行系统分析和数学建模，并基 于状态反馈对系统进行控制，实现了基于d s p 的软件控制，使系统在各种运动状 态下保持平衡。实现了系统的自平衡、运动控制以及目标跟踪。 硬件上实现了以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心的控制系统，实现了传感器信号采集 与处理，电机驱动，软件算法。建立了无线的测试与控制平台，实现了系统的数 据传输与命令传输。 在总结前人工作的基础之上，本文总共用三种方法对系统进行了数学分析， 并得出一致的状态空间方程，从而保证了结果的准确性。分析过程中发现，采用 拉格朗日方程法和能量法比采用牛顿力学分析方法更清晰，简洁。 在对系统状态空间方程进行分析之后发现，系统可以分解成两个互不相关的 子系统，分别描述系统的两组状态。根据这两个独立的状态空间方程设计了两个 控制器，其中一个控制车体保持垂直状态和行驶速度，另一个控制小车在地面的 旋转速度。 l 小车的运动控制可以转化为对小车的行驶速度1 ，和旋转速度的控制，基于 该思想，本文提出了两轮式移动倒立摆机器人的目标跟踪算法，并通过实验验证 了其可行性，对目标跟踪具有一定的实时纠偏能力。但是在考虑目标跟踪中小车 的行驶速度和旋转速度的时候，只是从系统稳定性角度考虑，对它们进行了修正， 进一步的研究需要从时间和效率上考虑和设计，进行路径规划和轨迹控制，以保 证小车能够以最佳的轨迹跟踪目标。 此外，尝试采用模糊控制来实现小车的自平衡控制，但由于采用的模糊控制 输入变量较少，只实现了部分控制目标。 关键词，两轮式移动倒立摆，模糊控制，机器人，运动控制，目标跟踪 a b s t r a c t b yu s i n gd y n a m i c st h e o r ya n dm e t h o d , t h em e c h a n i c sp r i n c i p l eo ft w ow h e e l e d m o b i l ei n v e r t e dp e n d u l u mr o b o ti sa n a l y s i s c d , a n de s t a b l i s ht h en 皑t h e m a f i c a lm o d e l o nt h eb a s i so f a u t o m a t i o nc o n t r o lt h e o r yo f s t a t ef e e d b a c k ，s i m u l a t i o nh a sb e e nd o n e a n dw eh a v er e a l i z e dt h es 0 1 r a v a t - ec o n t r o ls y s t e mu s i n gd s p 1 1 始s y s t e ma l r e a d yh a s t h ea b i l i t yt 0k e e pb a l a n c ew h e n e v e rs t i l lo rr u n n i n g ，a n dc a nt r a c k 切玛优 b a s e do nt h ed s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) m i c m - e n n 血o l l e r , w ed e s i g n e dt h ec o n t r o l s y s t e m , i n c l u d i n gt h es a m p l i n ga n dp r o c e s s i n go fs e n s o rs i g n a l , m o t o rd r i v i n ga n d s o l , a g a t ea l g o r i t h n l aw i r e l e s sm e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e d , w h i c hc a n t r a n s m i tt h ed a t aa n dc o m m a n d s b a s e do nt h ew o r ko ff o r m e r , t h es y s t e mi sa n a l y s i s e di n3m e t h o d sa n da c q u i r e t h es a m es t a t es p a c ee q u a t i o n , i te n s u r e dt h ev e r a c i t yo ft h et e s u t d u r m gt h e a n a l y s i s ，i th a sb e e nf o u n dt h a tt h ew a y b a s e do nl a g r a n g e se q u a t i o no re n e r g yi s n l o r es i m p l ea n de a s y , e n m p a r e dt ot h em e t h o do fm e c h a n i c sd y n a m t h er e s u l to fa n a l y s i s i n ga b o u tt h es t a t es p a o ee q u a t i o ns h o w st h a tt h es y s t e m c a nb es e p a r a t e di n t ot w od i s r e l a t e ds u b s y s t e m st od e s c r i b et h ed i f f e r e n tt w ot t 瑁畦堪o f e s t a t e b a s e do nt h ea b o v et w oa b s o l u t es t a t es p a c ee q u a t i o n , t w oi s o l a t e dc o n t r o l l e r s w e r ed e s i g n e d t h ef i r s to n ei sac o n t r o l l e rw h i c hs t a b i l i z et h ev e l o c i t yo f v e h i c l et oa d e s i r e dp o i n t , w h _ i l i n gc o n t r o l l i n gt h ev e h i c l ep i t c hw i t h i nas p e c i f i e dr a n g e ；t h e s e c o n dc o n t r o l l e rk e e p i n gt h ev e l o c i t yo f c i r c u m r o t a mb e t w e e ns p e c i f i e dl i m i t s 1 f l 埔c o n t r o lo f t h ev e h i c l e sm o v e m e n tc a l lb et r a n s l a t e di n t ot h es e p a r a t ee n n u f o l o fs p c e do fr u n n i n ga n dr o t a t e ，b a s eo nt h et h e o r y , aa l g o r i t h mo ft a r g e tt r a c k i n ga b o u t t w ow h e e l e dm o b i l ei n v e r t e dp e n d u l u mr o b o ti sa d v a n c e d ，a n dt h ee x p e r i m e n ts h o w t h a ti t sf e a s i b l e b u tt h ea l g o r i t h mi sj u s tc o m i d e r o dt h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m ，i t s n e e dt ob ea d v a n c e df r o mt h ep o i n to f w o r k i n gt i m ea n de f f i c i e n c y , m a k es u 糟t h a tt h e v e h i c l et r a c kt h et a r g e ta l o n gt h eo p t i m a lr o u t e b e s i d e s ，f u z z yl o g i cc o n t r o li s u s e dh e r et oc o n t r o lt h ev e h i c l e ，b e c a u s et h e n u m b e ro f t h em p u tv a r i a b l ei sf e w e r , n o ta l lt h ec o n t r o lt a r g e tw e r er e a l i z e d k e y w o r d s ：t w o - w h e e l e dm o b i l ei n v e r t e dp e n d u l u m , f u z z yl o g i cc o n t r o l , r o b o t , m o v e m e n tc o n t r o l ，t a r g e tt r a c k i n g 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 铷秀 作者签名：麴监皇 7 年，月弓j 日 f ； 1，l 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 机器人学的发展 自2 0 世纪6 0 年代人类研究了第一台机器人以后，机器人就显示出强大的生 命力，在4 0 年的时间里，机器人技术得到迅速的发展。机器人学是现代高科技 发展的重要方向之一。 机器人在工业、民用以及军用等领域具有广泛的应用前景。它对我国国防、 工业和农业现代化，提高人民生活水平有重要的意义。机器人技术研究是一个多 学科交叉的高科技领域，对人工智能、模式识别、自动控制、电子电气，机械设 计、电子电路等多个学科提出了很高的要求因此开展机器人的研究对带动人工 智能、自动控制、电子电气、机械设计以及相关领域的发展具有重要的推动作用。 国内外学者专家一直在讨论到底什么是机器人。早在1 9 6 7 年，日本召开国 际机器入学术会议，有人提出了“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、 半机械半人性、自动性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限的特征的柔性机 器。”的概念。也有人把机器人描述为“一种用于搬运材料、邮件，或其他特种 装置的可重复编程的多功能操作机”。日本工业机器人协会定义是“一种带有存 储器的通用机械，它能通过编程和自动控制来执行作业等任务的机器”。我国科 学家认为；“机器人是一种自动化机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生 物相似的智能能力，具有高度的灵活性自动化机器”。以上定义虽不一致，但全 面本质认为机器人是机器；具有一定仿人性的能力。可以代替人工作的自动化设 备。 机器人发展大致经历了三个阶段： 第一阶段，可编程的示教再现机器人。这类型机器人无传感器，采用开关控 制、示教再现控制和可编程控制。机器人的作业路径或运动参数都需要编程绘定 或者示教给定。它无法感知环境变化。例如工业用焊接、喷漆的机器人。 第二阶段，具有一定感知功能和适应能力的离线编程型机器入。这类机器人 配备了简单的内部传感器，能感知自身运动的速度、位置姿态等物理量，并以这 些信息的反馈构成闭环控制；它还配有简单外部传感器，因此具有部分适应外部 环境的能力。到7 0 年代和8 0 年代，随着计算机和人工智能的发展，特别是微处 理器的进步，机器人进入实用时代，发展了不少具有移动机构，通过传感器控制 的机器。 第三阶段，智能型机器人。这类机器人具有多种外部传感器组成传感系统， 可通过它们获取外部大量数据、信息，再进行处理，从而确切地描述外部环境， 自主完成某一项任务。它应具有知识库，能根据环境的变化做出相应的决策到 9 0 年代，人工智能、模糊控制、神经网络、遗传算法等先进技术的应用，使机 器人具有自主判断和决策功能。应用领域不断扩大。深海探测、火星探险、微小 型足球机器人、仿人型机器人相继问世。 机器人的研究越来越受到人们的关注，其研究领域可分成三类，即工业机器 人、服务机器人以及娱乐机器人。工业器人目前己应用于许多领域，在技术水平、 应用范围、产业规模等方面占有绝对主导地位。目前正朝着水下、空间、核工业、 医用以及军用机器人等方面发展。娱乐机器人包括机器人宠物以及目前流行的基 于p c 平台具有对抗性的比赛机器人服务机器人是以人为服务对象，主要用于 迎宾、导游、短距离运输以及家政服务等场所。 1 2 两轮移动式倒立摆机器人 移动机器人是机器人学中的一个重要的分支。对于移动机器人的研究，包括 轮式、腿式、履带式以及水下机器人等。可以追溯到6 0 年代。移动机器人尚有 不少技术问题有待解决，因此最近几年移动机器人的研究相当括跃。移动机器人 得到快速发展有两方面的原因：第一、移动机器人的应用范围越来越广泛；第二， 相关领域如计算传感控制执行以及人工智能等技术的快速发展。 两轮倒立摆是一种两轮式左右并行布置结构的自平衡系统，与其它类型的机 器人相比最主要的特征是要解决自平衡问题，即要在各种状态下保持动态平衡。 人类本身的平衡系统是在内耳中，透过视觉将自身所处的状态送到大脑进行分 析，并发出指令，使肌肉自动调整人体的平衡。而两轮倒立摆则根据平衡传感器 以及其它辅助传感器采集的数据，通过建立系统的数学模型和控制算法，最终控 制两个伺服电机，使之保持平衡。 自平衡控制系统是控制系统的一个重要的分支和典型的应用，实际上它可以 理解成在计算机的控制下，通过对系统各种状态参数的实时分析，使系统在水平 方向或垂直方向上的位移和角度( 角度速) 的偏移量控制在允许的范围内，从而 使系统保持平衡。在实际中所见到的重心在上、支点在下的物体涉及到的稳定控 制就是一个自平衡控制。其主要的应用方面有：火箭发射中的垂直度控制，倒立 摆控制，大型吊车运输过程的稳定控制等。 目前研究最热的是将两轮式倒立摆应用到交通工具1 】f 4 l 和仿真机器人 2 1 1 3 1 ，如 图1 1 所示，日本研究的服务型机器人【2 】。 2 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 1 日本仿真型的倒立摆机器人 机器人可以给我们的生活更安全，更便利，更舒适，使我们的生活质量提高， 尤其在老龄化的社会中。机器人可以应用在娱乐，家务劳动，办公室作业，工厂 等各种场合。 1 3 国内外研究概况 最早的相关研究在1 9 8 7 年，由东京电信大学自动化系的山藤一雄教授提出 类似的设计思想，并在1 9 9 6 年日本通过了相似的专利申请。 1 9 9 5 年美国著名发明家d e a nk a m e n 开始秘密研制孵g 袱矿”，直到2 0 0 1 年 1 2 月这项属高度机密的新发明才被公布出来。2 0 0 3 年3 月正式在美国市场上市。 s e g w a y 独特的动态稳定技术与人体的平衡能力相似，5 个固态陀螺仪、倾斜传 感器、高速微处理器和电动机每秒1 0 0 次监测车体姿态，测出驾驶者的重心，瞬 间完成计算，以每秒2 0 0 0 0 次的频率进行细微调整，不管什么状态和地形都能自 动保持平衡。它的运动也与人保持平衡的本能反应相同，没有油门和刹车，身体 前倾则向前运动，后倾则后退，直立则停下，转向则通过旋转两个手腕下方的操 纵把手来完成。最轻便的s e g w a y h tp 1 3 3 ( 如图1 2 所示) 最大速度1 6 公里，小 时，自重3 2 公斤，载重9 5 3 公斤，地面投影面积仅4 1 x 5 5 厘米，两块4 8 单元 镍金属电池组能行驶9 7 1 6 公里，充电需要4 6 小时，适于平坦、拥挤的步 行区，可带上火车或地铁，方便出差、上课和上班，可轻松推上楼梯。 2 0 0 2 年瑞士联邦工学院的舢d od a r r i g o 等人也研制了类似于s e g w a y 的一种 无线控制的两轮式倒立摆 5 1 并具有行走功能，如图1 3 所示。 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 2 美国s e g w a y1 3 瑞士联邦工学院两轮式倒立摆 美国著名发明家d e a nk a m a n 为残疾人登阶梯所发明的可登阶梯的轮椅，如 图1 3 ，可以在倾斜一定角度的情况下非常平稳地进行，还可以爬越楼梯，其它 也有相关的研究两。 图1 4 两轮倒立摆式轮椅 日本是研究机器人实力最强的国家之一，随着日本机器人产业的发展，其应 用领域也逐渐从汽车、机械制造向宇航、救灾、海洋开发、家政、医疗福利以及 娱乐等非制造业方向发展。机器人的外表也越来越愚人形“进化? 。作为机器人 大国”，日本除生产、使用大量工业机器人外，在人工智能领域也不断推陈出新。 图1 5 为日本研制的一种办公室服务机器人田】，它是一个具有两轮式的倒立 摆机器人。在保持自身平衡的基础之上，可以实现自由行走，并且实现了与人对 话的功能。 4 中国科学技术大学顼士学位论文第一章绪论 图1 5 日本研制的办公室机器人 2 0 0 3 年，中国科学技术大学自动化系和力学和机械工程系联合研发了自平 衡两轮电动车 8 1 ，如图1 6 所示，具有自主知识产权( 专利号0 2 2 5 8 1 0 0 4 ) 9 3 。 该作品参加了第八届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛，并获三等奖。 中国科学技术大学自动化系魏衡华等人【l o 】也对两轮移动式倒立摆进行了研 究。 1 4 发展趋势 图1 6 自平衡两轮电动车 1 ) 倒立摆系统是一个非线性，不确定，强耦合的复杂系统，需要采用比较先进 的算法来控制。近年来，随着智能控制方法的研究逐渐受到人们的重视，模 糊控制、神经网络、拟人智能控制、遗传算法和专家系统等越来越多的算法 被应用到倒立摆系统的控制上【1 5 , 1 6 。 2 ) 目前美国已经将倒立摆原理运用于一种新式的交通工具 ：- s e g w a y ，该交通工 具能够自动保持平衡，使用方便灵活。该交通工具适用于面积较大、人口稠 密的公共场合，具有广大的发展前景。但造价很高，不利于推广，有待于进 5 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 一步降低成本。 3 ) 随着机器人技术的发展，具有两足行走功能的机器人成为研究热点，倒立摆 技术将更多得应用于两足机器人，使机器人能够直立行走并保持平衡。 1 5 理论应用及研究方法 倒立摆是典型的非线性控制系统，它的控制原理是步行机器人的研究基础， 也是典型的机器人手臂的模型。由于它的严重非线性和高阶次，它可以用来研究 各种控制算法。现实生活中有很多的现象都是一个倒立摆的模型。比如说搬运火 箭的发射车、行驶的自行车、甚至直立的人 倒立摆按照运动方式分为直线运动的小车式倒立摆和旋转式倒立摆，小车式 倒立摆通过控制小车的运动速度，改变小车和小车上的倒立摆之间的相对速度， 使倒立摆维持在平衡状态。旋转式倒立摆通过控制电机的旋转速度控制旋臂的角 度位置和速度，从而控制摆杆的平衡。倒立摆按照摆臂的级数分为单级倒立摆、 二级倒立摆、多极倒立摆。随着级数的增长，倒立摆的模型也越来越复杂，非线 性程度越来越大，其控制也越来越困难。单级倒立摆是研究多级倒立摆的基础。 倒立摆还可以根据摆杆的刚性程度分为刚性摆杆的倒立摆和柔性摆杆的倒立摆 刚性杆的倒立摆可以根据牛顿力学方程和能量守恒定律建立系统的模型，而柔性 杆的倒立摆模型则随着杆的柔性系数的变化而成为变结构的倒立摆，其精确模型 的建立比较困难。卫星的太阳能电池的接收翼便是柔性杆的例子。 模糊控制理论无论在理论还是在应用方面都已经取得了很大的进展。对于具 有高度复杂性，不确定性的系统，建立精确的数学模型是特别困难的，有时甚至 是不可能的，传统的控制理论对现代控制工程这些问题，很难甚至无法解决。在 这种情况下，模糊控制的诞生意义重大，模糊控制可以不用建立精确的数学模型， 根据输入输出的结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可对系统进行实时 控制。倒立摆作为一个复杂的非线性系统，有许多的模糊控制方法在倒立摆中的 应用 1 1 , 1 2 。 但与常规的控制理论相比，仍然显得不够成熟，到目前为止，尚未建立起有 效的方法来分析和设计模糊系统，这使得模糊控制在自动控制中的实际应用受到 限制。 1 6 课题研究内容和工作 实验室前人已经就两轮自平衡代步车进行了研究，并取得了一定的研究成 果，但还有以下需要解决的问题： 6 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 1 系统稳定性有待进一步提高； 2 代步车的转弯控制没能很好实现： 3 目前系统主要采用有线测试，调试极为不便，需要实现无线测试与控制 本论文主要以自平衡代步车仍需解决的问题为研究内容，并为此建立一个两 轮式移动倒立摆系统作为研究平台，在此基础之上进行机器人运动的控制，主要 包括目标跟踪。主要工作内容如下： 1 基于自平衡代步车原理，建立一个可移动，两轮式倒立摆，并实现自平衡。 主要包括：系统建模，系统结构设计，硬件电路设计以及软件设计； 2 在实现两轮倒立摆自平衡的基础上研究系统的转弯控制； 3 实现两轮式移动式倒立摆机器人的运动控制，主要包括静止目标跟踪和运动 目标的跟踪； 4 建立一个无线控制平台，实现倒立摆系统的无线控制，能通过无线控制倒立 摆系统的行驶速度，方向和轨迹。 1 7 论文结构 本论文的结构安排如下： 第一章，主要介绍两轮倒立摆式机器人的研究现状和意义，以及本文的内容和 论文结构； 第二章，系统的结构框架和组成部分，主要包括微控制器模块，传感器采集模 块，电机驱动模块、无线通信模块，以及软件模块； 第三章，关于系统建模的讨论，分别用牛顿力学，拉个朗日方程，及能量守恒 分析系统的模型，并得出一致的系统状态空间方程； 第四章，基于状态反馈的两轮移动式倒立摆机器人的控制，包括平衡控制和行 驶速度以及转弯的控制； 第五章，模糊控制方法在两轮移动式倒立摆中的应用； 第六章，两轮移动式倒立摆机器入的运动控制； 第七章，总结与展望 7 第二章系统总体结构及软硬件设计 2 1 系统总体设计方案 2 1 1 机械结构 两轮式倒立摆自平衡控制系统的实物图如图2 - i 所示。主要机械部分包括左 右车轮、车箱、摆杆、防震轮。两个车轮的轴线在同一直线上，分别由两个直流 力矩电机直接驱动；小车的重心在摆杆上，并且位置高于车轮轴线；在摆杆上方 可以固定不同质量的重锤，可以调节系统重心的位置；重锤上方固定一个防震轮 胎，当系统失控时以起到缓冲作用。采用两轮式的最大优点是可以在小空间范围 内灵活运动。 在车箱的内部安装有蓄电池、左右直流力矩电机、编码器、倾角传感器、陀 螺仪、无线传输模块。其中，编码器和直流力矩电机与两个车轮在同一轴线上， 两个编码器分别测量左右车轮的旋转角度。车箱外侧固定有电路板，包插信号采 集与处理模块，电机驱动模块，微控制器，其中微控制器是整个系统的核心。 图2 1 两轮式移动倒立摆 8 2 1 2 系统结构 系统结构如图2 2 所示，系统采用的传感器包括倾角传感器、陀螺仪、编码 器，通过它们可以测量和运算出小车的状态参数，其中车体倾角、车体倾角角速 度分别由倾角传感器、陀螺仪直接测量；左右车轮旋转角度可由编码器测量，通 过微分可以计算左右车轮的角速度，进而推算出左右车轮的行驶速度，车体的前 进速度以及小车在地面的旋转角速度 将运行状态信息反馈给控制电路，通过计算得到输出脉宽调制信号和方向信 号，经过光电隔离，控制驱动电路，经过功率放大后直接驱动直流力矩电机，实 现对小车的平衡控制。小车行驶过程中，车体向前倾斜一个角度；当转弯时，电 机施加左右车轮不同的力矩，使左右车轮速度出现偏差，从而实现转弯。 为了实现控制系统与p c 之间的通信，系统配备了无线模块，无线模块与 d s p 之间通过s c i ( 异步串行通信接口) 通信。该无线模块可以使p c 机在3 0 0 米范围内对小车系统进行操作，同时d s p 可以通过无线模块将系统的各种状态 信息发送到p c 机，以供实验分析。整个系统又相当予一个无线测试平台。 图2 2 系统结构图 系统硬件设计主要包括以下几个模块： 9 中国科学技术大学硕士学位论文第二章系统总体结构及软硬件设计 1 电源模块 系统需要的电压分别有3 0 v ，2 4 v ，正负5 v ，3 3 v ，分别给d s p 、传感器、 逻辑器件等供电。 2 嵌入式微控制器模块 平衡两轮电动车在行进过程中，通过a d 模块实时采样传感器的信号，计 算出要加在左右电机上的电压并输出控制电机的控制信号( p w m 以及方向信 号) ，完成这一功能的器件是1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，同时它还要完成与无线模块之 间的数据传输。 3 传感器信号采集与处理模块 为了获取小车的运动状态，需要各种传感器以及信号放大电路。微控制器的 a d 模块采集放大后的传感器信号，作为控制系统的输入。 4 无线传输模块 研制移动式倒立摆的过程中，需要监测车体运行数据，在p c 上进行分析研 究并作为评价算法优劣的依据。在小车运行过程中，指令的发送也要靠无线传输 模块实现。 5 电机驱动电路 微处理器通过计算得出来的控制量要通过不同占空比的p w m 信号驱动功 放电路，从而驱动直流力矩电机转动。 系统硬侔电路实物见附录l 。 2 2 电源模块设计 系统需要最高电压为3 0 v ，为直流力矩电机的驱动电路供电，所以系统采用 2 4 v 和6 v 的蓄电池串联作为整个系统的电源。其余电源都经过电源芯片变换得 到。 系统需要5 v 供电的器件有传感器、编码器、光电耦合器件、逻辑元件、运 放器件等，系统采用d c d c 电源模块将2 4 v 电压转换为5 v 。考虑到传感器输 出的模拟信号需要经过采样与放大，需要的5 v 电源要尽量减少干扰，所以系统 采用两个d c d c 模块分别提供两个5 v 的电源，一个用于传感器、运放器件供 电的模拟电压+ 5 s ，一个用于其它器件供电的数字电压+ 5 v ，同时在设计电路 图时模拟地和数字地要分开，最后连接到蓄电池的负极，以尽量减少干扰，如图 2 3 所示。 图2 35 v 电源的设计 芯片1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的工作电压为3 3 v ，同时编码器的信号要经过非门将 5 v 的高电平信号变为3 3 v 的高电平信号，这样才能接入d s p 的q e p i q e p 4 输入端。采用a m s l l l 7 实现5 v 到3 3 v 的转换，如图2 4 所示。 图2 43 3 v 电源的设计 除此之外，系统采用的运放器件a d 6 2 0 需要提供一5 v 的电压，系统采用 t p s 6 7 3 5 芯片可以提供一5 v 的电压，原理如图2 5 所示 中国科学技术大学硕士学位论文第二章系统总体结构及软硬件设计 图2 5 负5 v 电源的设计 整个电源模块的电路见附录2 。 2 3d s p 控制器 在控制系统设计中，根据d s p 的性能指标和设计要求，采用1 1 公司的一款 专门用于控制领域的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为控制系统核心。该芯片有 以下特点；4 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到2 5 n s ，从而提高了控制器的 实时控制冉吕力；1 6 通道的1 0 位a d 转换器，可以满足对传感器模拟信号的采集； 两个片内光电编码接口电路，满足对左右车轮旋转角度的测量；串行通信接口 ( s c i ) 。满足与无线模块的连接；8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道；此外系 统还具有c a n 模块，s p i 模块，5 个外部中断，高达4 1 个的输入输出引脚等。 1 m s 3 2 0 l x 2 4 0 x a 系列d s p 是美国德州仪器公司生产的专门用于数字电机 ( d m c ) 控制的1 6 位定点、低功耗的d s p 系列，配有片内r o m 和f l a s h 还 有d a r a m ( d u a la c c e s sr a m ) ，1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是其中的一员。 t m s 3 2 0 系列d s p 有如下特点： 1 ) 灵活的指令集； 2 ) 内在的操作灵活性； 3 ) 商速的运算能力； 4 ) 改进的并行结构： 5 ) 有效的成本。 2 4 0 x a 系列d s p 控制器是专为基于控制要求的应用而设计的，将高性能的 d s p 内核和丰富的微控制器外设功能基于单片之中，从而成为传统的多微处理器 单元( m c u s ) 和昂贵的多片设计的理想替代。每秒执行4 0 m 条指令的运算能力， 使得2 4 0 x a 控制器能比传统1 6 位控制器和微处理器拥有强大得多的性能。 2 4 0 x a 器件的1 6 位定点内核为模拟控制设计者提供了一个数字解决方案， 并且不会牺牲原有系统的精度与性能。事实上，可以采用诸如自适应控制、卡尔 曼滤波和状态控制等先进的控制算法，因而增强了系统性能。2 4 0 x a d s p 控制器 还提供了更好的编程能力。 高速c p u 允许数字控制设计者实时处理算法，而不需通过查表以获得近似 结构。2 4 0 x a d s p 控制器的指令集包括信号处理指令和通用控制指令，同时还提 供了扩展的开发支持，这使得开发时间缩短，并且开发工作也变得和8 位或者 1 6 位的微控制器一样简单。 2 4 0 x a 的体系结构还特别适用于处理控制信号，如：1 6 位字长、用于存储 临时数据的3 2 位寄存器、完全独立于c p u 的数字定标硬件移位器。上述特点的 结合使量化和结尾误差最小，同时还增强了用于辅助功能的处理能力。这些辅助 功能包括取消系统中机械共振的陷波滤波器，或者是用于减少系统中状态传感器 的估计技术。 2 4 0 x a 的数字和混合外设包括： 1 ) 控制器局部网络( c a n ) ： 2 ) 异步和同步串行口( s c i ，s p i ) ； 3 ) 模数转换器( a d c ) t 4 ) 事件管理器( e v ) ； 5 ) 系统保护，如低压检测和看门狗( w a t c h d o g ) 定时器。 6 ) 有可逆计数器 2 3 2t m s 3 2 0 l i r 2 4 0 7 a t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是1 m s 3 2 0 l x 2 4 0 x a 系列中的性能最优的d s p ，具体表现 在： 1 12 4 0 7 a 具有较大的片内存储器，它的片内s a r a m 、f l a s h 在同系列中 容量都是最大的； 2 12 4 0 x a 系列中仅2 4 0 7 a 具有外部存储器接口； 3 12 4 0 7 a 具有e v a 、e v b 两个事件管理器，其中通用定时器计数器数目、 p w m 引脚、捕获正交解码脉冲单元均为同类中最多； 钔2 4 0 7 a 的a d 通道最多，转换时间最短； 5 ) 2 4 0 7 a 同时具有s c i 、s p i 和c a n 三种功能模块； 旬2 4 0 7 a 拥有的数字i o 口最多： 刀2 4 0 7 a 所允许的中断优先级在同类中也是最多的。 由以上7 条看出，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的性能在1 m s 3 2 0 u 屹4 0 x a 系列d s p 中 最为优越，以下我们就来分析它是否可以满足两轮式移动倒立摆机器人的需要。 1 m s 3 2 0 u 您4 0 7 a 的主要性能指标归纳如下： 1 1 指令周期为2 5 n s ，远小于1 0 0 n s ，满足要求。它的运算速度高达4 0 m i p s ； 具有5 4 4 字的片内d a r a m ，2 k 字的s a r a m ，3 2 k 字的片内f l a s h , 无片内r o m , 具有b o o t r o m , 有片内代码保护功能，最多允许外扩6 4 k 的r a m 和r o m 。这样，通过外扩，完全可以满足两轮式移动倒立摆机 器人设计所要求的存储能力； 3 ) 具有e v a 和e v b 两个事件管理器，其中包括了4 个通用定时器，计数器， 1 2 路p w m ，6 个捕获( c a p ) 单元，4 个正交解码脉冲( q e p ) 单元。 4 ) 具有1 6 个通道的l o 位模数( a d ) 转换器，最小转换时间为3 7 5 n s ，两 轮式移动倒立摆机器入总共需要2 个模数( a d ) 转换器。 5 ) 具有串行通信接口( s p i ) 模块、串行通信接口( s c i ) 模块和控制器局 部网络( c a n ) 。可以满足研制倒立摆机器人时车体传输数据给p c 机供 分析使用。 国具有4 1 个分享的数字i o 引脚。这些i o 引脚可以满足倒立摆机器人的 如下要求：控制电机方向、系统状态指示l e d 。实际上，1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 充足的i o 引脚不仅能满足需要，还可以为以后的需要做准备； n 多个中断源。控制倒立摆机器人需要在每个采样周期内采样系统运行状 态，定时器中断要求满足了这个要求。 最小系统原理图见附录3 。 2 4 传感器模块 2 4 1 车体倾角的测量 我们使用了中国科学院合肥智能所设计的一款倾角传感器来测量倒立摆小 车的倾斜角度。该倾角传感器的标定值如表2 - l 所示： 1 4 表2 - l 倾角传感器的标定值 角度方向( 正) 标定值( v ) 角度方向( 负) 标定值( v ) 角度值( )角度值f ) o o2 2 9 6 4 52 3 6 54 5 2 2 2 l 9 02 4 4 09 o2 1 5 2 1 3 52 5 0 8 1 3 52 0 7 8 1 8 o2 5 8 01 8 o2 0 1 2 2 2 52 6 4 6 2 2 5i 9 4 2 2 7 o2 7 1 42 7 o1 8 8 0 3 1 52 7 ” 3 1 51 8 1 4 3 6 0 2 8 3 83 6 o1 7 5 7 4 0 52 8 9 44 0 51 6 9 9 4 5 02 9 4 94 5 0 1 6 4 8 倾角传感器的测量电路如图2 6 所示： 图2 6 倾角传感器的测量电路 由于小车在实际运行过程中，车体的倾角不会超过【- 3 5 。，+ 3 5 。】的范围，倾角 传感器在这个范围内输出的最低电压大约为1 7 v ，所以将倾角传感器的输出与 电压1 7 v 的差值经过运放a d 6 2 0 放大3 倍，并且能够保证放大器的输出电压在 3 3 v 以内，再通过t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的a d i n 2 采样。a d 6 2 0c a - - 个放大器共同 组成。如图2 7 ，借由固定电阻且，可以调整足来调整放大的增益值，其关系式 如式( 2 1 ) 所示： = ( 1 + 等( ) ( 2 - 1 ) v o v r o 一 吨 图2 7a d 6 2 0 的原理图 t o p 、，i 臼 图2 8 d 6 2 0 角位图 吒 i v s o l 胛t 盯 r 群 v o 图2 8 为a d 6 2 0 的脚位图，其中l 、8 脚按一电阻疋来调节运放的放大倍数， 对应图2 6 中的r 5 和i 砸，4 、7 脚接正负相等的工作电压，本系统大小为5 v ， 从2 、3 脚输入的电压可从6 输出放大后的电压。放大增益关系式为： g ；4 9 4 k f 2 + 1( 2 2 ) e 实验中发现，倾角传感器的输出信号在电机没有工作状态下，其输出曲线效 果非常好，如图2 9 ，但是当电机工作时，其输出信号有很大的干扰，同时由于角 度测量信号出现大的干扰波动，所以经过计算得到的输出控制电压也会出现大的 波动，所以系统不能保持平衡，而会出现大的抖动，如图2 1 0 。 1 6 所以加大滤波电路中的电阻r 1 的阻值，实验表明，大约1 0 0 k 左右的时候， 传感器的经过滤波后的波形能够满足系统的需要，如图2 i i 为电机正常工作状 态下，经过滤波的传感器信号 圈2 9 未受电机干扰的传感器信号 图2 1 0 受电机干扰情况下的传感器信号 1 7 雹 瞳 慷 | 馨 搬 基 2 4 2 车体角速度的测量 图2 1 l 经过滤波的传感器信号 车体的角速度包括绕车轮转轴的角速度扫和绕垂直轴的旋转角速度艿。两个 参数都可以通过安装陀螺仪测得，但是为了减少成本，本系统只用了一个必须的 陀螺仪用来测量毋，角速度彦可以通过其它测量参数推倒得出，与左右车轮的速 度相关。 本系统我们采用微型固态陀螺m e m s 角速度传感器( 图2 1 2 ) 测量角速度日。 它主要应用于g p s 导航系统，车辆稳定控制，导航控制，平台稳定等系统。 图2 1 2 微型固态陀螺( 7 m 7 r a m x 3 哪) 晒俗角速度传感嚣 微型固态陀螺( 7 m m x 7 龇x 3 m m ) 枷巳m s 角速度传感器的主要性能指标如表2 - 2 ： 中国科学技术大学硕士学位论文第二章系统总体结构及软硬件设计 表2 - 2 陀螺仪的主要性能指标 参数名称参敦值鲁件 动态范围士1 5 0 。i s - 7 5 0 s 釉0 0 。s 可选 比例系数 1 2 5r h p ，s在2 5 比例系数温度变化 1 1 2 5 t o l 3 7 5 m v o i s 完全温度范围 线性度 o 1 满量程 零位2 5 v2 5 零位湿度变化+ 3 0 0 m v完全温度范国 温度传感器输出 2 5 v在2 9 8 6 k 温度传感器比例系数 8 4 m v 。k和绝对温度成正比 供电电压 4 7 5 t o5 2 5 v 电流 8 m a 工作温度范围 - 4 0t o + 8 5 完全的性能指标 最大工作温度范围- 5 5t o + 1 2 5 缩减的性能指标 最大加速度2 0 0 0 90 5 m s 任意轴非工作状态 角速度传感器信号的处理电路如图2 1 3 ，经过差值放大2 2 倍。同样，陀螺 仪同倾角传感器一样，也面临同样的问题，需要经过同样的滤波处理，如图 2 争之1 l ： 图2 1 3 陀螺仪的铡量电路 2 。4 3 车轮转角的测量 本系统所采用的微控制器每个e v 模块都有一个正交脉冲( q e p ) 电路。该 电路使能后，可以在编码和计数引脚c a p l q e p l 和c a p 2 q e p 2 ( 对于e v a 模 块) 或c a p 3 q e p 3 和c a p 4 q e p 4 ( 对于e v b 模块) 上输入正交编码脉冲。正 交编码脉冲电路可用于连接光电编码器以获得旋转机械的位置和速率等信息。 正交编码脉冲电路的时基可由通用定时器2 ( 或通用定时器4 ，e v b 模块) 提供，通用定时器必须设置成定向增，减计数模式，并以正交编码脉冲电路作为 时钟源。两个正交编码输入脉冲的两个边沿均被q e p 电路计数，因此由q e p 电 路产生的时钟频率是每个输入序列的4 倍，并把这个时钟作为通用定时器2 或4 的输入时钟。 正交编码脉冲是两个频率变化且正交( 即相位相差9 0 度) 的脉冲。当它由 电机轴上的光电编码器产生时，电机的旋转方向可通过检测两个脉冲序列中的哪 一列先到达来确定，角位置和转速可由脉冲数和脉冲频率来确定。 系统中采用两个编码器来测量左右车轮的转角，我们采用的编码器型号是 c h a - 1 1 0 0bm - g0 5l ，每转输出1 0 0 0 个脉冲，编码器测量电路如图2 1 4 ： 图2 1 4 编码器的输出信号a i , b i z l 经过t # f - 反相，连接到徼控制器的q e p 引脚， 在这里之所以经过一个非门是为了保护微控制器，因为1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的供电 电压为3 , 3 v ，而编码器输出的正交脉冲信号幅值为5 v 。 2 0 需要注意的是；由于编码器安装在车箱内与车轮同轴的位置，编码器所测角 度为车轮相对于车体的转角，所以车轮相对于地面的转角是编码器所测转角与车 体的倾角之和。同时相应的速度也存在类似的关系。 2 5 无线传输模块 本系统的无线传输模块主要有两个方面的作用，如图2 1 5 ：一方面是在系统 调试过程中，获取系统状态的数据，使之作为一个实验平台，能实时传送系统运 行中的各种数据给p c ，例如车体倾角。角速度，以及控制电压等参数，然后对 系统进行分析 另一方面，在系统正常运行过程中，要接收外界发送给它的指令， 按照指令执行相应的动作，例如前进，转弯等。 _ _ - 畸 _ 日“ 图2 1 5 无线传输模块 无线模块采用上海桑博电子公司生产的s t r 1 8 型无线数传模块。可靠传 输距离达到3 0 0 多米，具有高抗干扰能力和低误码率。该模块提供两个串口，3 种接口方式，c o m l 为1 儿电平u a r t 接口，c o m 2 由用户自定义标准的r s 一2 3 狮塔- 4