陀螺仪在机器人控制中的应用.doc

陀螺仪在机器人控制中的应用陀螺仪是一种运动姿态传感器，它固定安装在机器人上面，可以测量机器人运动过程中旋转的角速度。把测量到的角速度在计算机算法上进行积分，得到的是机器人运动旋转过程中转过的角度，这个角度很重要，通过角度，我们可以对机器人的转动进行控制。这样就比起传统的循线转弯快了很多，在机器人的直线行走过程，也可以通过陀螺来检测机器人是否走偏，从而来对它进行纠偏控制。运用得好，可以大大提高机器人的运动速度。在具有强对抗性的机器人比赛场合，慢半秒和快半秒也许就决定了输和赢。速度非常重要。一般学校的循线机器人都是每秒1米到1.5米，而使用了陀螺则可提高到2米到3米每秒。西安交通大学去年的追风机器人，就是把陀螺使用得淋漓尽致，速度快得让其他院校的机器人望尘莫及，在比赛中抢尽先机，从而夺得国内赛冠军。华工今年也采用了陀螺方案，我所做的主要工作就是摸索陀螺仪的使用。我们这一年，研制了华工的第一台使用陀螺的机器人，取名为猎户座，速度达到每秒2米以上（本来还可以更快的，但怕不稳定，最后故意降速度以保证稳定性）。比赛中完全没有循线，速度看上去只比台湾明新的干扰机器人慢一点点，由于是第一年使用陀螺，很多方法实际上都是自己摸索的，还不是很成熟，在本次大赛取得的效果不是很好，希望下一届继续改进。个人认为，做科研，要在大方向上清醒而有把握。不要只把眼光放在细节上面，这样才能有所大成。如何使用陀螺控制机器人？先不管通过何种方法来使用陀螺得到机器人运动转过的角度，这只是技术细节问题。假使我们已经能通过陀螺读取到了这个角度。那么，宏观上，如何使用这个角度信号来控制机器人的运动呢？1、机器人走直线的情况走直线的时候，机器人是没有旋转的，这时理论上陀螺输出的角速度应该是0，然而实际中却不为0，这这是为什么呢？一个原因是陀螺的温漂，有静态误差，这是不可避免的，但它很小，可以忽略；另一个原因就是机器人由于外部因素没有走直，而它转过的角度被陀螺测到了。所以我们就可以根据它走歪的角度，反馈到左右两轮的速度上面去，通过纠偏控制使机器人回到原来设定的直线轨迹上去。如何反馈，这是看似很高深的控制理论，然而实际工程应用之中，很难对机器人的各电机建立准确的数学模型，只是采用了最为简洁实用的PID调节控制，根据经验调改控制参数，没有唯一的答案，只要达到稳定指标即可。2、机器人拐弯的情况要控制机器人拐弯，可以给机器人的左右两轮设定不同的速度，这样机器人便开始拐弯，然后我们反复不断地读取陀螺测得的机器人目前拐过角度，直到达该角度到设定的角度时再停止拐弯，做下一动作，比如可以刹车，也可以给两轮设定以相同的速度走直线等等。存在问题和缺点：1、走直线纠偏时，偏转的角度能纠回到正确的角度，但整个机器人会平移一段距离。2、拐弯的设定的角度和实际的角度有些偏差，它容易受控制微处理器的运算速度的影响。以上就是我通过和队友讨论策划后使用的陀螺控制机器人的方案，没有参考什么理论和书籍，仅从工程应用的实用角度出发，这个能想到，也能够做到。当然，要做好做强，就绝对要运用更加高明的控制理论，可惜我本人不是学自动化的，控制方面的理论基础不是很扎实，实践经验也不丰富，再加上紧迫的时间关系，所以这一届机器人的陀螺方案也就仅运用到这里。非常希望有使用过陀螺的高手，能够过来指导，对陀螺的使用有不同看法的朋友，也欢迎过来交流发言。本身，技术重在交流，才能取得共同的进步。我们华工机器人组本次大赛使用的陀螺主要技术指标：名称：PM-ARS-0200品种：微机单轴陀螺仪厂家：西安精准测控公司（西安就是牛，高新区什么科技产品都有卖，不像广州）量程：200度/秒输出电压范围：0+5V刻度因素：9.40.2（mV/S）输入电压：+55Vdc输入电流：6mA工作温度：-45+85重量：30克(含电缆)体积：28*28*13(mm)价格：2500RMB（贵！）它是单轴的，只能测一个方向上的角速度，所以价格相对三轴的便宜，比如说我们在比赛中只对水平面的拐弯有兴趣，在摆放时陀螺的底面就应该和水平面平行摆放，固定在被测量物体上。该陀螺对外接口非常简单，只有三根线：电源线，接5V；地线，接地；这样就能工作了，还有一根信号输出线，其他不用的引线都用胶布包好，相当于悬空。该陀螺会根据测量面上对被测物体旋转的角速度大小和方向不同，输出不同的模拟电压大小。静止时的电压是2.5V，顺时针方向旋转时输出电压小于2.5V，角速度越大，输出电压越小，逆时针方向旋转时输出电压大于2.5V，角速度越大，输出电压越大。特别注意的是，陀螺输出电压与旋转角速度成线性的关系。这个关系非常重要。我们可以通过测量其电压，从而转化为角速度。为陀螺制作一个采用转化电路，先对输出的模拟电压进行定时采样，采样频率为100Hz1000Hz，采样后进行A/D转换，再对数字信号进行积分处理，得到角度值。这些在软件算法可以灵活多变，我给出的是整体思路。在数字信号处理过程中，要考虑对信号中