（模式识别与智能系统专业论文）两轮自平衡机器人中若干问题研究.pdf

摘要 ii 摘要 两轮自平衡机器人是轮式移动机器人中重要的类仿生系统，其运动平衡 控制问题是机器人学和机器人技术研究中的重要问题之一。本文针对两轮自平 衡机器人运动平衡控制中涉及的重心调节、传感器滤波等问题进行了分析和研 究，取得了如下研究成果： 第一：重心可调节两轮自平衡机器人的设计与研究。 本文设计了一款新型的两轮自平衡机器人，该机器人借鉴当今两轮自平衡 机器人设计中经典思想，在此基础上，提出了一种重心可调节的两轮自平衡机 器人的设计思路，并且针对重心可调节问题建立两轮自平衡机器人的数学模型 进行仿真，得到两轮自平衡机器人重心对平衡控制的影响规律，为今后此类机 器人的设计提供了参考。 第二：两轮自平衡机器人中传感器信号的滤波问题研究。 。 本文针对两轮自平衡机器人中使用的姿态传感器陀螺仪信号存在的多噪 声、零位误差问题设计了简单低通滤波器和卡尔曼滤波器，对检测到的传感器 信号进行处理，并对不同的滤波器的滤波效果进行了比较，结果表明卡尔曼滤 波器在处理陀螺仪信号噪声和零位误差问题上具有很好的滤波作用和效果。 第三：两轮自平衡机器人直流电动机调速问题研究。 本文设计了基于单闭环的直流电动机调速系统。对于两轮自平衡机器人的 平衡控制，一个很重要的问题就是对机器人的两个直流电动机的控制。直流电 动机调速系统稳定、准确与否对两轮自平衡机器人的控制有很重要的影响。本 文设计的单闭环直流电机调速系统能够及时准确地响应控制信号，与同样性能 的电动机伺服系统相比具有硬件少，成本低的优点。 本文的研究工作得到了国家自然科学基金的支持，相关的研究成果已经获 得国家知识产权局颁发的专利证书，所写论文被第七届全球智能与控制大会正 式录用( e l 检索) 。本文的研究工作对于两轮自平衡机器人的设计与控制研究 有积极的意义，可广泛应用于移动机器人、自动控制、传感器滤波等领域。 关键词：两轮自平衡机器人；重心可调节研究；卡尔曼滤波 摘要 a b s t i 认c t r h et w o 。w h e e l e ds e l f - b a l a n c i n gr o b o ti so n ei m p o r t a n tb i o n i cs y s t e mo fm o b i l e r o b o t t h ep r o b l e mo fb a l a n c ea n dm o v e m e n ti sa l li m p o r t a n ti s s u ei nr o b o t i c s i n t h i sp a p e r , w er e s e a r c hi nd e s i g n i n gt w o w h e e l e ds e l f - b a l a n c i n gr o b o t c o n t r o l l i n gt h e d cm o t o ra n ds a n s o rf i l t e r i n g t h em a i nr e s u l t sa c h i e v e da r e ： f i r s t l y , w ed e s i g na n dr e s e a r c hat w o - w h e e l e ds e l f - b a l a n c i n gr o b o tw h i c hc a r l a d j u s ti t sf o c u so fg r a v i t y i nt h i sp a p e r , w ed e s i g n e dan e wt y p eo ft w o - w h e e l e ds e l f - b a l a n c i n gr o b o t o n t h eb a s i so fc l a s s i ct w o w h e e l e ds e l f - b a l a n c i n gr o b o t w ea d v a n c e dan e wi d e at o d e s i g nr o b o t i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo ff o c u so fg r a v i t y , w ee s t a b l i s h e dt h e r o b o t sm o d e la n ds i m u l a t e di t i nt h i sw a y , w eg o tt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h e f o c u so fg r a v i t ya n dt h eb a l a n c eo f r o b o t i tw i l lb e r e g a r d e da sai m p o r t a n tr e f e r e n c e f o rd e s i g n i n gr o b o ti nf u t u r e s e c o n d l y , t h er e s e a r c ho ns e n s o rs i g n a l sf i l t e r i n g t h e r ea r em a n yn o i s e si nt h es e n s o r ss i g n a l s i no r d e rt of i l t e rt h e s en o i s e s ，w e d e s i g nd i f f e r e n tf i l t e r s o n ek i n do ft h e s ef i l t e r si sas i m p l el o w p a s sf i l t e ra n d a n o t h e ri sk a l m a nf i l t e r t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tf i l t e r sa r ec o m p a r e d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ek a l m a nf i l t e ri sb e t t e rt h a no t h e rf i l t e r si nd e a l i n gw i t ht h en o i s e s t h i r d l y ，t h er e s e a r c h e so nd cm o t o rs p e e d c o n t r o ls y s t e m i nt h i sp a p e r , w ed e s i g nd cm o t o rs p e e d c o n t r o ls y s t e mw h i c hb a s e so ns i n g l e c l o s e d - l o o ps y s t e m i ti sv e r yi m p o r t a n tp r o b l e mf o rs e l f - b a l a n c i n gr o b o tt oc o n t r o l t h er o b o t sm o t o r s m e t h e rt h ed cm o t o rs p e e d c o n t r o ls y s t e mi ss t a b l eo rn o th a s v e r yi m p o r t a n ti m p l i c a t i o n st ob a l a n c eo fr o b o t ，i nt h i sp a p e r , t h es i n g l e l o o pd c m o t o rs p e e d - c o n t r o ls y s t e m sc a nr e s p o n s et oc o n t r o ls i g n a l st i m e l ya n da c c u r a t e l y c o m p a r i n gt ot h es e r v es y s t e mt h i ss y s t e mh a sl e s sh a r dw a r e sa n dl o wc o s t 1 h es t u d i e sa n dr e s e a r c h e sa r e s u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o n t h er e s e a r c hr e s u l t sh a v eb e e nc e r t i f i c a t e db yt h es t a t ei n t e l l e c t u a l p r o p e r t yo f f i c e o n ep a p e rh a sb e e na c c e p t e db yt h ew c i c a 0 8 n er e s e a r c h e si n t h i sp a p e ra r eu s e f u lf o rt w o w h e e l e ds e l f - b a l a n c i n gr o b o t t h er e s u l t sc a nb ew i d e l y u s e di nm o b i l er o b o t i c s ，a u t o m a t i o n s e n s o rf i l t e ra n do t h e rf i e l d s k e yw o r d s ：t w o w h e e l e ds e l f - b a l a n c i n gr o b o t ：a d j u s t i n gt h ef o c u so fg r a v i t y k a i m a nf i l t e r i i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：g 坐边逛日期：丝! ! 至18 三! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) ， 签名：4 鉴边丝导师签名：2 竺鲨墨塑日期：塑! 缮旦兰旦 第1 章绪论 i 1 1 课题背景 第1 章绪论 近年来，随着电子技术的发展与进步，移动机器人的研究不断深入，成为 目前科学研究最活跃的领域之一，移动机器人的应用范围越来越广泛【1 】。这就 要求移动机器人必须能够适应一些复杂的环境和任务。比如：户外移动机器人 需要在凹凸不平的地面上行走，有时环境中能够允许机器人运行的地方比较狭 窄等。如何解决机器人在这些环境中运行的问题，逐渐成为研究者关心的问题 【2 】1 3 】o 两轮自平衡机器人的概念正是在这样一个背景下提出来的，这种机器人区 别于其他移动机器人的最显著的特点是：它采用了两轮共轴、各自独立驱动的 工作方式( 这种驱动方式又被称为差分式驱动方式) ，车身的重心位于车轮轴的 上方，通过轮子的前后移动来保持车身的平衡，并且还能够在直立平衡的情况 下行驶【4 】。这种机器人的优点有： 1 能够实现零半径转向，可以在凹凸不平的地面上行驶，适应范围比较广； 2 车体的结构简单，可实现机器人的微型化： 3 采用电池供电的直流电动机驱动，驱动功率小，环保节能，为环保轻型 车提供了新的思路。 两轮自平衡机器人白面世以来，一直受到世界各国机器人爱好者和研究者 的关注，这不仅是因为两轮自平衡机器人具有独特的外形和结构，更重要的是 因为它本身的自然不稳定性和非线性使它成为很好的验证控制理论和控制方法 的平台，具有很高的研究价值。 1 2 国内外研究现状 早在1 9 8 7 年，日本电信大学( u n i v e r s i t yo fe l e c t r o c o m m u n i c a t i o n s ) 教授山藤一雄( k a z u oy a m a f u j i ) 就提出了两轮自平衡机器人的概念。这个基 本的概念就是用数字处理器来侦测平衡的改变，然后以平行的双轮来保持机器 的平稳。这款被山藤一雄称为平行自行车的机器人开创了两轮自平衡机器人研 究的先 可【5 1 。但是它的重心是不可调节的，而且机器人只能在固定的导轨上运 动。如图1 - 1 所示： 北京_ 业大学下学硕十学位论文 1 图l - l 山藤一雄研制的两轮自平衡机器人 f i g u r e1 - 1b a l a n c i n gr o b o td e s i g n e db yk a z u oy a m a f u j i 直到本世纪初，随着瑞士联邦工业大学的j o e 、美国的s e g w a y n 等两轮自 平衡机器人的相继问世，世界各国越来越多的机器人爱好者和研究者开始关注 两轮白平衡机器人。在这方面国外的研究起步早、成果多，研制出了一些具有 代表性的机器人，国内的研究基本上处于理论研究与实践的初期，只开发出了 少数的实验原型机。几种比较典型的两轮自平衡机器人如下图所示： , j o e f r e e b v 日 s e g 幅v 图1 - 2 几种典型的自平衡机器人 f i g u r ei - 2d i f f e r e n tc l a s s i cb a l a n c i n gr o b o t s 第】章绪论 两轮自平衡机器人的驱动系统作为机器人控制的执行机构，是自平衡机器人 系统中很重要的一部分。为了完成机器人的自平衡功能，需要其驱动系统工作稳 定可靠。上图卜2 中的机器人j o e 、n b o t 以及s e g w a y 均采用了直流电动机调速 系统。首先，这是因为直流电动机具有良好的线性调速特性、简单的控制性能、 高质高效平滑运转的特性。其次，自平衡机器人需要适应户外环境，一般使用直 流电源供电，因此绝大部分的白平衡机器人采用直流电动机作为驱动。 在现有的两轮自平衡机器人研究中，研究者们在自平衡功能的实现方面投入 了大量的时间和精力。通过设计不同的控制算法对两轮自平衡机器人进行控制 盯】，取得了很好的效果。以上图卜2 中的几种典型自平衡机器人为例，两轮自平 衡机器人n b o t 采用p i d 控制算法、j o e 采用状态反馈线性控制算法。但是，在 当前的研究中，涉及自平衡机器人重心调节问题的研究很少，迄今为止，也未出 现能够自主调节自身重心的两轮自平衡机器人垆】。 在两轮自平衡机器人的控制中，一个很重要的环节就是对机器人姿态进行检 测。国外开发的两轮自平衡机器人s e g w a y 使用5 个固态陀螺仪、倾斜传感器、 高速微处理器以每秒i 0 0 次的速度检测车体的姿态；美国人d a v i dp a n d e r s o n 设计的两轮自平衡机器人n b o t 使用了惯性导航系统模块，能够准确地得到机器 人的姿态信息，但同时存在成本高的缺点。国内开发的两轮自平衡机器人多采用 成本较低的加速度计或微机械陀螺来检测机器人的姿态信息，但是使用低成本的 惯性传感器检测姿态信息就不可避免地存在误差。因此，需要我们使用一定的方 法来补偿低成本的惯性传感器的误差从而得到较为准确的姿态信息。 现阶段，对于两轮自平衡机器人中陀螺仪和加速度计的信号进行滤波处理， 一般采用简单的低通滤波器，也有研究者采用卡尔曼滤波器对两轮自平衡机器人 的姿态进行最优估计，补偿陀螺仪的漂移误差【9 1 ，或者采用数据融合的方式将加 速度计信息与陀螺仪信息进行融合【10 1 ，得到机器人车体的倾斜角度。这几种方式 有一个共同点就是未对陀螺仪的误差模型进行研究，尽管也能得到车体的较为准 确的姿态信息，完成系统的自平衡功能，但是，当机器人在平衡位置附近进行控 制时，很容易发生抖动现象。 1 3 国内外研究现状分析 两轮自平衡机器人一般以倒立摆模型为基础，根据机器人重心位置是否可变 可以分为重心不可调节型和重心可调节型两大类。重心可调节问题是两轮自平衡 机器人设计和调试中一个很重要的问题，现阶段对于两轮自平衡机器人重心问题 的研究还很少。研究重心变化对自平衡机器人控制的影响，一方面可以为机器人 的设计提供参考，另一方面也可以通过变化机器人的重心位置来检验控制算法的 北京工业大学1 = 学碗十学位论文 鲁棒性。因此，有必要对重心变化情况下的两轮自平衡机器人的控制进行研究。 自平衡机器人姿态信息的检测是机器人控制的一个很重要的环节，一般多采 用陀螺仪、加速度计、倾角计等姿态传感器对机器人车体的姿态进行检测，然后 通过对传感器信号进行滤波或数据融合得到两轮自平衡机器人实时的姿态信号。 当使用低成本的微机械陀螺仪或倾角仪来检测车体的姿态时，得到的姿态信息中 往往含有大量的噪声，这些噪声对于机器人的控制，尤其是在平衡位置附近时的 控制十分不利，它会引起电动机的频繁换向，减少电动机的寿命，影响机器人的 控制性能。因此，需要对姿态传感器滤波问题进行更深入地研究。 对于两轮自平衡机器人的控制大多采用传统的p i d 控制方式或状态反馈线 性控制方、法【“，也有一部分是采用模糊控制策略的。在这些控制算法中，p i d 算 法应用较为广泛，但是采用p i d 控制需要花费很大的精力去调节参数；如果采用 模糊控制策略，则需要运算速度较高的处理器才能完成。 现对几种典型的两轮自平衡机器人总结如下表卜1 ： 表l - i 典型两轮自平衡机器人比较 t a b l e1 - 1t h ec o m p a r eo f t y p i c a ls e l f - b a l a n c i n gr o b o t s 名称重心传感器主控制器控制策略 j o e不可自主调节陀螺仪f p g a 状态反馈线性控制 n b o t 不可自主调节惯导系统h c l l 微处理器p i d 控制 s e g w a y 不可自主调节陀螺仪，加速计多处理器模糊控制 f r e em o v e r不可自主调节 陀螺仪，加速计 嵌入式系统 状态反馈线性控制 1 4 本文主要的研究内容 本文设计了一款两轮自平衡机器人，研究了其重心调节问题对机器人系统控 制的影响，并在机器人本体上进行了传感器滤波以及直流电动机的调速问题的研 究。具体包括： ( 1 ) 机器人本体的设计：设计一款两轮自平衡机器人本体，其中包括机械 设计与电气系统的设计，为进一步的研究提供了良好的平台。 ( 2 ) 重心可调节问题研究：研究了两轮自平衡机器人重心变化条件下系统 控制性能的改变，得到了一般性的规律。在此基础上，提出了一种重心可调节的 两轮自平衡机器人的设计思路，为两轮自平衡机器人的设计和实现提供了参考和 借鉴。 ( 3 ) 传感器信号的滤波：建立了陀螺仪的零位误差模型，设计了对陀螺仪 信号滤波的简单低通滤波器、巴特沃斯滤波器以及卡尔曼滤波器，通过比较三种 滤波器的滤波效果发现卡尔曼滤波器性能较好，从而得到了机器人车体准确的姿 态信息。 第1 章绪论 ( 4 ) 直流电动机调速问题研究：设计了基于d s p 的直流电动机调速系统， 其性能稳定可靠，硬件少，成本低。使用该直流电动机调速系统能够达到机器人 平衡控制的要求。 北京工业大学丁学硕七学位论文 第2 章两轮自平衡机器人设计 两轮自平衡机器人是一种特殊的移动式机器人，它区别于其他移动机器人 的一个最显著的特点就是该机器人能够仅仅依靠两个轮子完成车体的平衡。两 轮自平衡机器人的这个显著特征要求它有特殊的结构，基本的设计思想为：保 持两个轮子分别由独立的直流电动机驱动，并且在一条轴线上，车体的重心保 持在轮轴以上，使用检测车体倾斜角度的传感器实时地获取车体的姿态信息， 机器人的处理器将传感器信号进行处理，按照一定的控制算法计算出控制量控 制电动机的转速和转向，驱动机器人前进或后退，完成车体的平衡【6 1 u 。 两轮自平衡机器人的系统设计包括机械结构设计与电气系统设计。其中， 机械机构为机器人实现平衡提供平台，电气系统主要用来完成自平衡的功能。 2 1 两轮自平衡机器人系统设计 自平衡机器人的运动系统采用两个电动机同轴差分驱动的驱动方式，通过 增量式光电编码器计算得到车轮的转速信息，通过姿态传感器实时地检测系统 的姿态信息。机器人的控制系统的核心部件是一块放置在机器人车体底部的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 处理器，作为系统的控制器，它通过采样姿态传感器的信息， 计算得到实时的关于车体姿态的数字信号，按照一定的控制算法计算出控制量 控制电动机的转速和转向，驱动机器人前进或后退，完成车体的平衡。 姿态传感器一般选择放置在机器人的机身内部，尽量减少车体的震动对姿 态传感器造成的影响。姿态传感器的选择主要依据自平衡机器人的数学模型。 根据牛顿一欧拉法建立的自平衡机器人的动力学方程 1 l 】u 4 1 表明要实现自平 衡机器人的平衡控制需要两个姿态信息即机器人偏离竖直方向的倾斜角度和角 速度。 两轮自平衡机器人选择了一个倾角传感器和一个陀螺仪作为检测车体姿态 变化的传感器。假设机器人偏离竖直方向的角度为0 ，角速度为毋，则倾角传 感器用来测量角度量0 ，陀螺仪用来测量角速度量矽。 两轮自平衡机器人系统图如图2 1 所示： 第2 章两轮自平衡机器人设计 图2 - 1 两轮自平衡机器人系统图 f i g u r e2 - 1t h es y s t e mo f s e l f - b a l a n c i n gr o b o t 。 两轮自平衡机器人的系统图体现了机器人设计的基本的思路与框架。我们 可以参照两轮自平衡机器人的系统图，结合自平衡机器人设计的基本思想，选 择合适的器件来设计两轮自平衡机器人的机械结构与电气系统，构造机器人本 体的硬件环境。 2 1 1 机械结构设计 两轮自平衡机器人的机械结构设计包括机器人外观造型以及内部结构两个 方面。在设计机器人机械结构的过程中既要考虑机器人功能的实现，又必须考 虑机器人各部分功能模块的布局，其中需要特别注意的有： 1 由于两轮自平衡机器人采用的是两个电动机的差分驱动方式，因此必 须保持两个车轮的同轴度，即两个轮子的轴心在同一个水平轴上。 2 考虑传感器的放置位置。车体底部在电动机转动时极易引起车体的震 动，影响传感器检测机器人车体的姿态，因此传感器应当放置在远离 电动机震动的部位，比如机器人的车身部位。 3 在机器人内部器件的放置时需要考虑车体重心的位置，要保证车体的 重心在合适的位置。 两轮自平衡机器人的机械设计图 1 2 如下图2 2 所示： 北京下业大学下学硕士学位论文 图2 - 2 两轮自平衡机器人机械结构图 f i g u r e2 - 2t h ec o n f i g u r a t i o no fs e l f b a l a n c i n gr o b o t 机器人的机械结构设计对其自平衡功能的实现有很大的影响。作为功能实 现的平台，要求机器人本体的结构设计要合理，各部分的连接要坚固可靠，同 时还要考虑外形的美观。 2 1 2 电气系统设计 两轮自平衡机器人的电气系统主要包括：电源供电系统，电动机驱动系统， 控制器系统，传感器检测系统等。其中，电源供电系统由电池与电源分配板组 成，可以为系统提供直流2 4 v ，直流5 v ，直流3 3 v 电源；电动机驱动系统主要 由直流电动机及其驱动器组成，用来为机器人提供动力；传感器检测系统包括 倾角传感器、陀螺仪和光电编码器，用来检测机器人车体的姿态和速度信息。 机器人各个系统之间的接线图如下图2 3 所示： ，l 第2 章两轮自平衡机器几设计 图2 - 3 两轮自平衡机器人电气系统接线图 f i g u r e2 - 3t h ee l e c t r i cs y s t e mo fr o b o t 具体连接说明如下： ( 1 ) 传感器与数字信号处理器之间的连接 这一部分接线图主要包括倾角传感器与数字信号处理器、陀螺仪与数字信 号处理器以及光电编码器与数字信号处理器之间的连接关系。 倾角传感器的三条线分别代表电源正极、电源负极、信号线。其中电源正 负两极由电源分配板供电，分别连接至电源分配板的+ 2 4 v 口和g n d 口。倾角传 感器的信号线输出倾角的模拟信号与数字信号处理器a d 模块的j 8 口第5 针连 接。 陀螺仪的三条线分别为电源正极、电源负极、信号线。陀螺仪由d s p 电路 板+ 5 v 端口供电，它的正负两极分别连接至数字信号处理器j 7 口的4 8 针( 输 出+ 5 v ) 和j s 口的第2 9 针( g n d 地线) ，信号线输出测量的角速度信息接至a d 北京t 业大学工学硕+ 学位论文 模块j 8 口的第1 针。 左右电动机的编码器各自有四个接线口分别为电源正极、电源负极、a 通 道、b 通道。其中左电动机的正负两极连接至j 9 口的5 7 、5 9 两针，右电动机 的正负两极连接至j 9 口的5 8 、6 0 两针；左电机a 、b 通道分别接至j 9 口的 2 9 、3 0 针，右电动机的a 、b 通道接至j 9 口的4 5 、4 6 针。 ( 2 ) 数字信号处理器与驱动器之间的连接 数字信号处理器与驱动器之间的接线主要是指数字信号处理器输出的控制 信号与驱动器控制端口之间的连接。驱动器的控制端口共有4 个接口( 信号地 线未包含在内) ，功能分别为：刹车制动控制、输出使能控制、转向控制、转速 控制。左电动机的四个控制端口分别接至数字信号处理器j 9 口的1 、3 、5 、3 7 针；右电动机的四个控制端口分别接至数字信号处理器j 9 口的2 、4 、6 、8 、 3 9 针。 数字信号处理器作为系统的控制器首先采集计算传感器信号。得到能够被 处理器识别的车体姿态信息与速度信息，经过一定的控制算法计算后，得到控 制量输出给电动机的驱动器，驱动器驱动电机前进或后退从而使机器人保持平 衡。 2 2 数字信号处理系统 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 利用计算机或专用的 处理设备，以数值计算的方式对信号进行采集、变换、综合、估计与识别等加 工处理，从而达到提取信息和便于应用的目的【l5 1 。在数字信号处理的历史上， 有两件大事促进了d s p 技术的发展，其一是c o o l e y 和t u c k e y 对离散傅里叶变 换的有效算法的解密，另一个就是可编程数字信号处理器在2 0 世纪6 0 年代的 引入。这种采用哈佛结构的处理器能够在一个周期内完成乘法累加运算，与采 用冯诺依曼结构的处理器相比有了本质的改进，为复杂数字信号处理算法和 控制算法的实现提供了良好的平台。 采用d s p 实现数字化处理和控制已经成为趋势【l6 】。t i 公司推出的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器具有较高的信号处理和控制功能，在数字控制领域拥有广阔的应用 前景。t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列的d s p 是目前控制领域最高性能的处理器，具有精度 高、速度快、集成度高的特点，为不同控制领域提供了高性能的解决方案。 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0d s p 平台整合了d s p 内核、内部f l a s h 存储器、高精度模拟 外设、数字控制及通信外设等，为用户提供了单芯片实现的、高性能控制的解 决方案，其主要的功能模块有：f l a s h 内存、事件管理器、模拟数字管理器、 c a n 模块、串行通信接口、串行外围接口以及多信道缓冲串行端口等。 第2 章两轮自平衡机器人设计 | ! ! ! ! ! ! e ! ! s 目! 目! 目e 目e 目孽s e 自e ! ! s ! ! 自! 皇mm 一-m ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼 一个典型的闭环控制系统由三个模块构成：控制器、被控对象和传感器。 控制器根据所下达的参考指令与传感器测得的反馈信号比较，所产生的误差再 经过控制算法计算出适当的修正信号送给被控对象。控制器的主要目的就在于 根据控制命令与反馈信号产生适当的修正信号而使系统有最佳的反应。 采用微处理器或d s p 的数字控制方式是目前设计控制系统的发展趋势，这 是因为这种数字控制系统有如下优点： 1 能够用软件实现复杂的控制算法，而不需要采用复杂的模拟电路设计。 2 由软件程序修改实现不同的控制方法，不需要更改硬件电路。 3 可降低体积、重量和功耗，价格较低。 4 具有较高的可靠性，易于维修和测试。 5 对噪声有较强的抗干扰能力。 本设计中采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器作为控制器正是基于其具有高 速的运算速度，丰富的片上资源以及优异的电机控制功能考虑的。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 主频达1 5 0 血i z ，拥有高性能的3 2 位c p u ，多达1 2 8 k 1 6 位的f l a s h 存储器， 事件管理器模块能够很好地控制电机，串口通信模块能及时向上位机传输信号， 1 2 位模数转换模块能处理系统传感器信号。 2 2 1 模拟数字信号转换器 由传感器测量得到的信号是模拟信号，而数字信号处理器能够处理的信号 是离散的数字量信号，为了能够使d s p 处理实际的模拟量信号，必须将模拟量 信号按照一定的规则转换为d s p 能够识别的数字信号。能够实现这种转换的设 备称为“模拟数字转换器”。 在t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器中，片内配置了一个双十二位的模拟数字 转换器模块( a d c ) ，使用这个片内转换器，用户不必在片外扩展模数转换器件 就可以方便地将系统中的电流、电压等模拟信号输入到片内供c p u 内核进行处 理。其结构如图2 4 所示： 北京工业大学t 学硕十学位论文 图2 _ 4 模拟数字转换模块结构 f i g u r e2 - 4t h ec o n f i g u r a t i o no fa d c 这两个独立的模拟数字转换单元为d s p 提供了1 6 个可用的模拟输入通道， 每个模拟数字转换单元提供8 个输入通道并且在1 个模拟数字转换预定标时钟 周期内完成输入采样，在4 或4 5 个预定标时钟周期内完成转换，也就是说在 5 到5 5 个模拟数字转换预定标时钟周期内完成全部的采样转换操作，转换后 得到的数字结果为： 数字结果= 4 0 9 5 * 堕塑堕叁皇里当幽 v m 。v r e f l 0 ( 2 1 ) 式中、片内基准电压，2 3 v , = 0 v 。 在本设计中，我们用模数转换模块对传感器的信号进行采样，将从传感器 得到的模拟信号转换成能够被数字信号处理器直接处理的数字信号供控制器使 用。 2 2 2 脉宽调制信号 p w m 信号是一系列可变脉宽的脉冲信号，这些脉冲覆盖了几个定长周期， 从而可以保证每个周期都有一个脉冲输出。这个定长周期称为p w m 载波周期， 它的倒数为p w m 载波频率。p w m 脉冲宽度则根据另一系列期望和调制信号来确 定和调制。 第2 章两轮目平衡机器八设计 曼皇曼! 曼! 曼曼皇曼笪曼曼皇! 曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼! 蔓曼曼! 曼蔓! ! ! 鼍蔓i 皇曼曼皇曼皇皇曼! 曼皇 在电动机控制系统中，用p w m 信号控制功率开关器件的导通和关闭，功率 器件为电动机的绕组提供期望的电流和能量，可以控制电动机的转速和转矩。 这样提供给电动机的控制电流和电压都是调制信号。 在数字信号处理器d s p 中，有专门产生p w m 信号的模块。具体的实现过程 可以描述如下：为产生一个p w m 信号，通用定时器设置为连续递增计数模式， 定时器重复按照p q v l 周期进行计数，比较寄存器用于保存调制值，其中的值一 直与定时器计数器的值进行比较，当两个值匹配时，p w m 输出就会产生跳变。 当两个值产生第二次匹配或者一个定时器周期结束时，就会产生第二次输出跳 变。通过这种方式就会产生一个周期与比较寄存器值成比例的脉冲信号。在比 较单元中重复完成计数、匹配输出的过程就产生了p w m 信号。其过程如图2 5 所示。 定时器的值 n ，v m 高有效 九 j m 低有效 死区+ il 一 乙卿厂矾 图2 - 5 用比较单兀和p w m 电路产生的非对称p w m 波形 f i g u r e2 - 5t h es y m m e t r yp w m 在事件管理器模块中，3 个比较单元中的任何一个与通用定时器1 、通用定 时器3 、比较单元、死区单元和输出逻辑结合就能产生一对死区和极性可编程 的p w m 输出。在每一个事件管理器模块中，有6 个这种与比较单元相关的p w m 输出引脚。这6 个特定的p w i d 输出引脚可用于控制三相交流感应电机和直流无 刷电机；由比较方式控制寄存器所控制的多种输出方式能方便地控制开关磁阻 电机和同步磁阻电机。同时，p w m 电路还可用于控制其他类型的电机，如直流 电机和单轴或多轴的步进电机。 本设计中，由控制器产生的控制量以p w m 波形的形式输出给电动机的驱动 器，驱动器驱动电动机转动，实现机器人的平衡控制。基于d s p 的直流电动机 的调速系统的实现将在论文的第五章详细介绍。 北京工业大学工学硕+ 学忙论文 2 2 3 正交编码脉冲电路 事件管理器模块内有一个正交编码脉冲电路( 简称q e p 电路) ，q e p 电路可 以对引脚q e p l 和q e p 2 上输入的正交编码脉冲信号进行译码和计数。q e p 电路 一般用于连接一个旋转机械的光电编码器接口，以获得其位置信息和速率信息。 正交编码脉冲电路的时基可以使用通用定时器2 、3 ，也可以使用2 和3 构 成的3 2 位定时器。此时，定时器设置成定向增减计数模式并且以正交编码脉冲 电路作为输入时钟源。 正交编码脉冲由2 个脉冲序列组成，这两个脉冲序列之间有1 4 周期的相 位差，如果正交编码脉冲由电动机轴上的光电编码器产生，电动机的旋转方向 可通过检测这两个序列中的哪一个先到达来确定，角位置和速度可由脉冲数和 脉冲频率决定。具体的示例如下图2 6 所示： 删l 厂 厂 厂 厂一 唧厂 厂- 厂厂 时钟信号 几r 厂 几r 厂 r 厂 厂r 几r r r 厂 i 方向 图2 - 6 由正交编码脉冲电路来确定增减计数方向以及时钟的示例 f i g u r e2 - 6t h es a m p l eo f g e t t i n gt h ed i r e c t i o nb yq e p 正交编码脉冲电路的方向检测逻辑决定了输入序列中的哪一个是先导序 列，接着就产生方向信号作为所选定时器的计数方向输入。如果q e p l 输入是先 导序列则所选的定时器增计数：如果q e p 2 输入是先导序列则所选的定时器进行 减计数。正交编码电路对输入的两列脉冲的两个边沿都进行计数，因此由它所 产生的时钟频率是每个输入脉冲序列频率的4 倍 在本设计中，我们采用数字信号处理器中的正交编码脉冲电路来计算电动 机的转速从而得到机器人运动的速度。电动机轴上的光电编码器产生两相正交 编码信号，我们用a 相和b 相表示。假设当检测到a 相超前b 相时，电动机转 速为正，计数器进行增计数，当检测到a 相滞后b 相时，电动机速度为负，计 数器进行减计数。增量式光电编码器为5 0 0 线，则电动机旋转2 万弧度编码器的 每相可产生5 0 0 个脉冲，经过q e p 电路后将产生2 0 0 0 个脉冲。q e p 电路产生的 脉冲作为外部时钟输入信号送入通用定时器2 或3 进行计数，我们可以通过计 数值计算电动机转过的角度，在已知车轮半径和减速箱的减速比的前提下，可 以得到机器人的运动速度和位移。 第2 章两轮自平衡机器人设计 2 2 4 串行通信接口 d s p 控制器片内具有一个串行通信接口( s c i ) 用来实现d s p 与其他异步外 设之间的串行通信。s c i 模块以标准的n r z 格式发送、接受数据，并且数据传 输速率可编程：s c i 模块的发送器都是双缓冲的，各自具有独立的工作使能和 中断控制位，可单独或同时工作。该模块是一个8 位片上外设，直接挂在片内 外设总线上，因此，当对该模块内的寄存器进行访问时，读高8 位将返回0 ， 写入到高8 位对s c i 模块的操作没有任何影响。 s c i 模块采用全双工通信模式，其主要的功能单元包括：一个发送器( t x ) 及相关寄存器；一个接收器( r x ) 及相关寄存器；一个可编程的波特率产生器 以及数据存储器映射的控制和状态寄存器。 串行通信接口使用以下两个多处理器通信协议即空闲线多处理器模式和地 址位多处理器模式。这两个协议允许多处理器间进行有效的数据传送。事实上 s c t 模块提供了一个用于连接许多标准外设的通用异步接受发送( u a r t ) 通信 模式。这种异步通信模式使用两条线来连接许多采用r s 2 3 2 - e 格式的终端或其 他标准部件。 s c i 模块可以使用单线或双线进行异步通信，在异步通信模式下，一帧包 括1 个起始位、1 8 个数据位、1 个可选的奇偶校验位、1 2 个停止位。每 个数据占用8 个s c i c l k 周期，如图2 7 所示： 下降沿检浏 s c i c l k 几几几 nn 几几f n 几几几几几几n 几 i234567b l 2 ，4 5 6s i s c i r x d ：j t $ 1 5 x 骂，装掣- 每个数据位占用8 个s c i c l k 周期每个数据位占用8 个s c i c l k 周期 图2 7s c i 的异步通信数据格式 f i g u r e2 - 7t h ed a t et y p eo fs c i 接收器在收到有效的起始位后开始操作，有效的起始位由连续的0 位组成， 长度为4 个连续的内部s c i c l k 周期。如果任意一位不为零，那么处理器的启动 结束，并开始寻找另一个起始位。对于起始位后的各位，处理器通过对该位的 中间进行3 次采样来决定位值，采样发生在第4 、笫5 和第6 个s c i c l k 周期， 位置取决于多数采样点的值。由于接收器本身能够按帧进行同步，所以外部的 发送接受器件不必使用同步串行时钟s c i c l k 。如下图2 - 8 所示： 北京t 业大学t 学硕十学位论文 r x e n a r ) 口d y 厂 6 s c i r x d 竺臣工丑= 工口= 工丑互卜司竺臣工卫 图2 - 8s c i 模块的数据接收 f i g u r e2 - 8r e c e i v i n gd a t eo fs c i 具体的数据接受操作如下说明： 1 采用地址位多处理器通信模式； 2 每个字符包含6 个位； 3 数据从s c i x d 引脚进入r x s h f ，然后移位进入s c i r x b u f 寄存器，同时 产生中断请求，r e a d y 标志置1 表示已经接受到新字符； 4 中断服务子程序读s c i b u f ，r e a d y 标志自动清零； 5 位r x e n a 使能或禁止s c i 的接收器：当r x e n a = o 时，数据仍然通过s c i r x d 引脚进入r x s h f ，但是不会被送往s c i x b u f 寄存器中。 数据的发送如下图所示： t x e n a j 一。 一 16 t x r d y 厂 厂一 23 4 5 t x e m p t y 几厂 字符i字符2 7 s c i r x d 墅匝工二e 1 亘卫倜墅臣工二哑i 帧 幢 图2 - 9s c i 模块数据发送 f i g u r e2 - 9s e n d i n gd a t eo fs c i 对于图2 9 中数据的发送说明如下： 1 采用地址位多处理器通信模式； 2 每个字符包含3 个位： 3 t x e n a 用来使能或禁止s c i 的发送器的操作； 4 写数据到s c z t x b u f ，t x r d y 变低，表示s c i t x b u f 不空：然后数据进入 t x s h f ，同时t x r d y 变高，表示s c i t x b u f 可以被写入新值；同时产生 一个中断请求。 5 在t x r d y 变高以后，中断服务子程序将新值写入s c i t x b u f ： 6 t x e n a = o 可禁止发送器的操作，发送器在当前帧发送完毕后停止发送。 在本设计中，我们使用串行通信接口可以将检测到的传感器的信号、机器 第2 章两轮自平衡机器人设计 人轮子的速度等信息传输到上位机以便于对数据进行处理或者绘图，通过对数 据的处理或者绘制图形，可以直观地观察和分析算法的优劣、滤波的效果。 2 3 姿态检测传感器 在两轮自平衡机器人系统中，机器人的控制器需要在每个控制周期内测量 车体的姿态信息。车体的姿态信息包括：车体的倾斜角度和车体倾斜的角速度。 在这些姿态信息中，车体的倾斜角度使用倾角仪测量，车体倾斜的角速度用陀 螺仪计算得到。 2 3 1 倾角传感器 本系统中采用w q 9 0 系列倾角仪，该型倾角仪采用高性能的磁敏电阻作为 敏感元件，利用重力摆的结构 1 7 1 可以无触点地对倾斜角度进行测量，灵敏度高， 寿命长，耐环境污染，抗振动。测量角度范围宽、精度高、分辨率可达千分之 一度，经过标准电压变送，在特定的角度范围内