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两轮自平衡寻线机器人设计,平衡,机器人,设计
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两轮自平衡寻线机器人THE SELF-BALANCING ROBOT HUNT 摘要两轮自主平衡寻找线的机器人可以说是一种有轮子的、可以走来走去的机器人，它的特点有变化量不低，不是线性的，很强的耦合度以及一些数据的待定，此机器人可以验算证明各式各样的控制算法。在运动的时候很灵敏，构造也简单，正因为如此，它可以在的地方行走运动，在未来发展是很不错的。该机器人能够做出非常多的困难的运动，还有工作，比多个轮子的机器人使用的范围要广泛的多，尤其是在工作环境很困难的时候以及本身事情比较困难的情况下来用它。好好的研究该机器人，我们中国科研发面的水平就可以有大的飞跃，还能让它在生产方面或者其他方面运用的更加广泛。机器人的结构对于自己能够自主保持平衡及运动控制来说有着很大的意义，所以在论文中研究的机器人是质地很均匀的、两个轮子的、能够自主保持平衡的找寻线的。这个机器人动作灵敏、可以防止干扰。主要部件的设计跟判定为机器人的机械部件的总体来说的方案的设计。之后，我们已经完成了硬件和软件的部件的设计。对这种两轮自平衡机器人在运动时候的规律进行分析，计算方式是PID,对机器人进行控制，这样一来机器人在运动的时候也是平滑的，抵抗干扰的能力也大大的提高了。关键词 两轮；自平衡；寻线机器人；机械；硬件软件AbstractThe self-balancing robot hunt as an intrinsic instability wheeled mobile robot, multivariable, nonlinear, strong coupling and parameter uncertainty and other characteristics, which makes it ideal for various control algorithms verification platform. At the same time, when in motion Flexibility is very good, and the structure is not complex, which can work in a relatively small space, the market prospect is very good. Two-wheeled balancing robot can be a lot more complex movements, as well as working range than the plurality of wheeled robot used to be more widespread, especially in the use of changes in the work environment is more complex, more difficult task when high . Study of two balancing robot that can make our country at this level in the field which greatly improved, but also allows the robot production in which we live wider range.Since the structure of the self-balancing robot and motion control it has an important impact on the quality of this paper developed a uniform style two-wheeled self balancing hunt robot which can move flexibly and anti-interference ability. Complete robot part of the overall design of the program, the main components for the design and determination. Then we completed the robot hardware and software design.This two-wheeled self balancing robot in motion when the rule analysis, calculated by PID, the robot control, so that when the robot motion is smooth and the ability to resist interference is also greatly improved.Keywords Two self-balancing hunt-robot machinery hardware and software目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 本课题研究的背景11.2 两轮自平衡寻线机器人使用系统的种类21.3 国内外研究现状31.3.1 国内研究现状31.3.2 国外研究现状5 1.4 本课题研究的内容6 2 机械部分的设计72.1 两轮自平衡寻线机器人的组成72.2 两轮自平衡寻线机器人的基本原理72.3 主要零件的选择、设计与确定82.3.1 直流伺服电机的选择与确定82.3.2 齿轮的设计与确定92.3.3 设计大齿轮连接轴112.3.4 座架、上支架及左右固定架的设计与确定122.3.5 轴承的选择与确定143 自平衡控制方案16 3.1 姿态传感器信号处理16 3.2 MPU6050传感器电路164 寻迹方案235 控制系统硬件部分设计275.1 微控制器选型275.2 驱动机构控制电路设计295.3 编码器325.4 串口通讯电路设计326 控制系统软件部分设计336.1 串口通讯定义336.2 上位机软件设计336.3 下位机软件设计346.4 两轮自平衡寻线机器人的PID控制34 6.5 PID原理34 6.5.1 流程图36结论38致谢39参考文献401 绪论1.1 本课题研究的背景在生产工具里面，机器人是近年来才诞生的，虽然这样，但是它使用的范围是非常广的，基本上在很多行业里面都可以看到它的身影。机器人使用之后，可以将人的劳动强度大大降低，还可以让生产效率变高，不仅如此，还能将比较危险的工作交给机器人去做，这样人的安全性就提高了。因为我们用机器人来替代人类，就可以完成高难度的工作任务，所以说，按机器人替代人类的部分来进行分类，有操作性的机器人，还有移动性的机器人。操作性的机器人主要替代的就是人类的手，而移步性的机器人主要代替的是人类的脚。现在移步性的机器人是非常火热的，在市场的销售也是比较好的，根据它移动的方式不一样，可以进行分类：有轮子的，履带的，腿样式的，推进款式的等等。这种轮式的机器人结构一点都不复杂，而且造价还不高，对能量的利用效率是非常好的，现在研究它的人是很多的。轮式机器人在运行的时候，路况可能会有不一样的情况出现，要想在这种情况不一的路面上还能行走自如，那就需要这个机器人的灵活性和适应性都非常的好，它在这两个性能变得更好，是研究的一个方向。在现在这样的时代背景下，两个轮子的自动平衡寻线机器人就诞生了。这个机器人有两个轮子，这两个轮子在一条直线上，动力来源都是直流伺服电机，机器人的重心是在这两个轮子的轴的上面，在运动的时候可以维持动平衡。两个轮子的机器人是为我们所研究的机器人提供了一个新的出路，他有带轮子那种机器人的特性和其自身的特性。现在工作任务的时效性是很强的，并且复杂程度也是很高的，所以原来使用的轮式机器人已经不能满足现在的需要了。接下来呢，说明相对于不是新的两轮的平衡机器人的优势： 1、转弯半径为零这种轮式机器人可以以自己的中心为点，绕着这个点进行转动，所以说它是可以在空间很小的地方进行任何方向运动的，而且在动作的时候是非常灵活的，传统的轮式机器人没有办法实现这点的。2、无刹车系统通过CPU，可以将正力矩还有反力矩自己反应出来，这样刹车的时候不仅快，而且还非常稳定；对它进行控制的时候也是非常便利的，起步简单，停车也很方便，无论怎样都是挺简单的。3、驱动的时候消耗的功率是比较低的，这样一来电池能使用的时间就比较长了。14、特殊的应用场合这种机器人可以在有很多汽车不方便行驶的地方行走，比方说广场啦，商场啦，步行街啦等等，用这个两轮平衡车不仅对环境没有污染，而且还能缓解交通。因为它的构造是比较特别的，所以体积不大，但是它对地面的路况适应能力是非常好的，可以在很小的空间进行动作，一些工作环境比较困难的地儿也能够进去自如。所以说来，这款的未来是非常好的，它可以用于代步车、通勤车、空间探索、紧急服务等等。另外，现在电子电脑技术发展的是很快的，所以现在这种两轮机器人的技术基础是非常强大的，在进行研究的时候成本也不高，这样一来两轮机器人的研究会。1.2 两轮自平衡寻线机器人使用系统的种类如果我们要对两轮子的保持平衡机器人开始分，那么我们就要更好的懂得他的工作原理。按照机器人的构造有没有变化，质心所在的地方有没有变化，可以，。我们在开发机器人的质量中心的根部两个轮子的自我平衡的机器人，其普遍性是非常大的，因为他是质量中心那里是在没有任何变化的，所以在进行控制的时候是比较容易的，不过因为它的构造是不会变化的，所以机器人的功能就比较少，这样它的发展就被限定了，所以说在这样的时代背景下，就产生了可以载客和可以运送东西的机器人。依据机器人的机构制造的不同，可以分为倒立摆式，还有质量均匀分布式的。倒立摆式的机器人，所有的质量都在车轴还有摆杆的上面，摆杆是有一定的长度的，这种机器人的占地小；质量分布机器人用分开层次的方法，并且所述部件被布置成根据由层的功能层，该上下的距离减小时，移动的自由度提高了，结构层次清晰了。感官系统里的传感器方法也有不同的分类：一个传感器以及组合起来的传感器。一个传感器在进行探测的时候用的是陀螺仪还有红外探测，使用这个传感器，可以将测量出来的数据都传送到俯仰角上面去，这样进行测量的时候是非常容易的，不过测量出来的结果精确度不高，很容易就受到干扰了，并且机器人的功能是很少的，进行工作的时间是很短的；为了提高测量精度需要使用多个传感器，造价不高，精确度高，使用这种多个传感器的方式对数据进行测量的时候，所得到的信息时非常精确的，不过使用这样的传感器还要安装一个滤波器，所以说整体结构是比较复杂，不过在测量时候精确度是很高的，并且导航的时间是比较长的。上面我们说了三种分类方式，还有一种就是按照测量时候角度的不一样进行分类，有实验性的，有服务性的，还有玩具型的。根据微处理器，单处理器和多处理器的数目来进行分类。1.3 国内外研究现状日本，是世界上最早推出来自平衡机器人的，在图1-1里面展示的就是1986年日本科学家对这种机器人的想法，这被认为是轮式移动机器人的研究之始。不过因为在当时那个年代，电脑水平还有传感器的水平都是比较低的，所以没有达到我们设想的效果，在那个年代没有太多的人在意。最近这些年，科技发展的是非常快的，对轮式机器人的研究也是越来越多，也越来越深入，现在对于机器人的研究这方面是非常热门的。2001年的时候，美国科学家研究出来的一种两轮平衡车，在图1-2里面就是这个平衡车，一进入市场之后反响是特别的好的。我们国家现在对这个机器人的研究还在最开始的阶段，跟国外的技术相比差距是相当的大的。 图1-1 机器人 图1-2 1.3.1 国内研究现状2003年，我国台湾地区中的科学技术研究人员研究出来用一种自我平衡的机器人，他在图所示的1-3里面展示的就是。这个机器人的高是440mm，宽是500mm，使用的控制芯片是DSP2812，这个芯片的频率最高达到150赫兹，在设计传感器的时候用的是倾角计还有陀螺仪组合在一起的，电池所在的位置是在摆杆顶头的地方，还有车轴的上面。要想保证机器人零部件不会出现失去平衡掉在地上的情况，所以在这个机器人的身上装了一个环形泡沫棉。 图1-3 图1-4 -倒立摆在2004年的时候，我们国家内陆地区有科研人员也研制出来了一种两个轮的平衡车，用的是倒立摆的系统。在设计系统的时候，会有噪音等问题，对这个问题进行了解决。按照系统在工作时候的特征，要想确保系统的稳定，可以通过鲁棒来进行控制。但是设计出来的结果是效果不是很好，噪音的问题没有能够完全解决掉。在05年的时候，我们国家的研究人员设计出来一款两个轮子直立的平衡机器人，在图1-5里面有所展示，这个机器人的控制核心还有上位机都是单片机C8051，这个翻篇及是美国生产的。要想将检测时候精确度提高，又使用了红外传感器，对机器人的倾斜角度进行测量，将机器人抵抗干扰的能力增强。在06年的时候，台湾的科研人员也设计出来一个用来进行运输的两个轮子的机器人，在图片1-6里面有所展示。这个机器人有两个微处理器，一个是主控器，还有一个数据处理器，在对机器人所处的地点，还有机器人的姿势进行测量的时候，用了一些方法，平衡效果更好，控制效果也更好，在进行计算的时候使用的是双环结构模糊控制法，要想将这个规则尽量的见繁华，所以我们将控制器又分成了两个：位置控制和角度控制。在图片1-7里面展示的就是台湾设计的两轮平衡机器人。 图1-5机器人Sway 图1-6两轮运输机器人 图1-7逢甲大学研发的电动车1.3.2 国外研究现状2002年，瑞士Eidgenossische Technische Hochschule Zrich大学的Felix Grasser等人制造了一种可以操作的 机器人Joe，Joe身高不到700mm，体重是十二公斤，它的传感器是陀螺仪还有光电编码器，要想控制机器人身体的平衡就要将状态反馈才能实现，这个机器人可以爬坡，坡度大概是三十度，在水平面上进行移动的时候，速度最快是1.5m/s，跟人类相比，它走的还是快一点。也是在2002年，丹麦的科研人员研究出来一种手掌大小的平衡机器人，在图1-8里面展示的就是，跟瑞士生产的机器人相比，不一样的地方在于：差动驱动电动机引入的方式是不一样的，这个机器人可以在斜着的面上面进行工作，还可以用遥控控制；用光电探测器对地面和机器之间的距离进行测量，这样可以确保机器人的平衡；机器设计的时候是用模块化设计的，无论在安装还是拆卸的时候都是很方便的。 图1-8 玩具机器人 图1-9 机器人 图1-10两轮自主平衡移动机器人年的时候，美国研究出来了两轮机器人，在图1-9里面展示的就是，在这个机器人里面测量部件是由陀螺仪和加速计组成的，对机器人所处的姿势进行测量的时候用惯性测量来进行，之后通过反馈系统，将这个信息传送到控制单位，对机器人的动作进行控制。这个机器人能够自主旋转动作。2003年，两轮自主平衡移动的机器人的这篇论文出来了，在图1-10所示里面展示的就是这个，它对这个机器人进行设计的时候，考虑到了电机对系统力学的影响，使用的测感器是由陀螺仪还有倾角计组成的，用极点配置的方法让这个机器人达到平衡的状态。弯曲的两轮平衡的这个机器人结构分为有三层，重心在上面，并且是竖直的，在机器人的身上装一个摄像头，这样这个机器人就可以自己进行运动了，并且它的平衡能力是非常好的。1.4 本课题研究的内容1、对机器人的机械结构进行设计，机器人的控制系统的设计，还有对软件模块的被建立。2、确定下来机器人在什么姿势上。3、确定这个机器人在进行控制的时候计算方法。4、研究如何寻线。2 机械部分的设计2.1 两轮自平衡寻线机器人的组成我们这篇论文设计的机器人在图2-1里面有所展示。其组成部分有：车轮、底架、电动机、齿轮减速装置、上支架和左右固定架组合而成。可以把这个机器人看成是机器身体和两个车轮再加上两个刚体铰链组成的，在这个机器人的身体上面装两个直流伺服电机，在左右两个固定支架之间，机器人的两个轮子动力来源就是这两个电机。另外还可以调整这两个轮子的转动速度，让机器进行各项运动，这样在任何路况上运动的时候，灵活性都很好。我们文中的机器人在进行自立控制的时候使用加速度计和陀螺仪来进行的。图2-1 两轮自平衡寻线机器人的机械结构2.2 两轮自平衡寻线机器人的基本原理文中的机器人必须确保身体是直立的，两个轮子还要按照一定的轨迹进行运动，跟原来四个轮子的机器人相比，对它的车身进行控制的时候，复杂的多了。要想在分析的时候方便一点，出现问题的时候及时解决，那么对复杂的问题就要简单化。比方说，机器人站着进行运动的时候动力都是轮子，用这两个电动机驱动轮子进行工作。从控制这个方面来进行分析，只有将这两个电动机控制住了，那么机器人的速度还有角度就都被控制住了。所以在控制机器人的时候要注意下面几个方面： 1、控制直立让左边还有右边的电动机转动的方向相反，这样机器人就可以一直都站着了；2、控制速度控制在左和右电机的旋转速度，以便控制所述机器人的速度；3、控制转向对左边电动机和右边电动机进行控制的时候，让他们的速度有一个差额存在，这样机器人就可以将方向改变了。经过我们好好研究后，控制机器人的关键是控制伺服电机和控制车轮的控制。在机器人的上面有三个电动机，对机器人直立，前进还有改变方向进行控制。确保机器人一直都是直立的，在前面将的三个子任务里面，这个是一个重要的方面。因为机器人是由这三方面来阐述控制，从阐述机器人的直立开始，还有两个控制上所造成的干扰的垂直的控制。所以要想将直立控制时候的干扰降低，在车子的速度改变，或者是方向改变的时候，一定不能变化太大。上面说的这三种控制都是单独进行的，我们设定有两个控制已经是稳定的了，比方说只要改变机器人行走的速度，这个机器人已经处于直立的状态了，此时只要将伺服电机的电压改变时，机器人的速度就改变了。要想让它的速度变快或者是变慢，当然机器人一定是直立的状态，这个时候只要把机器人倾角改变，这样一来机器人的重心就改变了，这样行走的速度就变快或者变慢了。2.3 主要零件的选择、设计与确定2.3.1 直流伺服电机的选择与确定我们论文里面的电动机也是一个直流伺服电动机，其驱动机器人的两个车轮。电动机让两个轮子转动的时候，机器人的速度是非常慢的，因此可以不用电枢电感跟这个转子之间会有相接触产生的力。伺服电机惯性负载的计算，根据等效转动惯量的计算公式，有：(1)等效转动惯量的计算换算到伺服电机轴上的等效负载转动惯量是： 式（2.1）式中 电机轴上的惯性负载； 电机轴的转动惯量； 大齿轮的转动惯量； 小齿轮的转动惯量； 丝杠的转动惯量； M移动部件的质量。对钢材的圆柱零件可以计算如下： 式（2.2）式中 D圆柱零件直径； L圆柱零件的长度。 式（2.3） 式（2.4） 式（2.5）电机轴的转动惯量很小，可以忽略，则有： 式（2.6） 经过我们的分析比较后，电机的型号被确定为FANUC-BESK直流伺服电机B4。2.3.2 齿轮的设计与确定1、确定齿轮是什么种类，精确度是多少，原材料是什么，还有齿轮数是几个 （1）齿轮在进行传动的时候用的是直齿圆柱的形式。 （2）两个齿轮承载的重量和运行的速度也不是十分的高，因此这个机器的旋转运动一般就行，精度等级为。 （3）选择材料，小小的齿轮的z为45，硬度为HB260290，齿轮硬度Hv550；大齿轮材料为45，硬度为HB260290。 （4）假定好小齿轮的z为15，大齿轮它的速度是是小齿轮的一半，所以我们选择大齿轮的齿数为30。 （5）传动比等于2。通过权衡我们选择其齿轮的模数可以是1也可以是1.25。2、齿轮模数的确定通过数据的对比，齿轮的m取决于，还有齿轮的表面相互接触的疲劳强度主要到齿轮的直径影响，我们选择，算出来的m=1.15，可以近四舍五入m=1.25mm，这样我们就能够很轻松的计算出大小齿轮所有的参数了。通过这样的方式我们研发，不仅可以适合齿轮的，齿跟的也满足了，这样设计出来的结构相对比较紧凑，不会产生不必要的浪费。具体结构见图2-1大齿轮零件图、2-2小齿轮零件图图2-1 大齿轮零件图图2-2 小齿轮零件图2.3.3 设计大齿轮连接轴该驱动器被安装在该轴将动力传递。轴主要的作用：支承住能够运动的零部件并对动力进行传递。对于轴的设计。设计的轴的结构需要被设计的比较具体的时候，而且还要涉及到轴的一些算术。开始进行设计这跟轴结构形状的时候，就在轴上，再对这些零部件定位置，做轴的工件艺术等等，把轴的形状还有大小都定下来。如果轴的设计做的不是很好的话，这根轴就会降低，工作的时候肯定很不，不仅仅是工作方面，在做的方面花钱上会更多，装起来也会很不简单。算该轴的工作方面的能力，轴的刚度啊稳定性的强度啊的计算，等等，在许多的情况之下，这根轴的能力工作的越厉害，那这轴的自身也就更加大的强度。1、轴的材料轴的主要材料是碳钢、合金钢。当轴还是最原始的材料的时候，需要轧钢圆钢以及锻件，有的一些不是间接的用的。从成本上来讲，碳钢比合金钢较便宜，碳钢较敏感，所述合金钢的灵敏度不是很好，因此，我们可以用热处理或是化学热处理的办法，适合金钢比较耐磨还有可以防止疲劳，我们使用的时候也用这个种材料生产的轴，最为常见的是45#钢。在力和淬火性能方面，合金钢相对碳钢表现更好，同时我们也占地面积不大，比较轻，和良好工作的环境和很差的工作地方高温或低温，这种状态下通常使用的原料是合金钢。假如说轴的应力很小，从费用上来看，很多时候我们用的碳素钢强度还是不高的，就拿Q235-A钢来举个例子，某些情况下使用的原材料要好一点，比如，45#钢。轴向的应力高的话，通常用调质钢，在大多数情况下，含碳的量在0.30%到0.60%合金结构钢碳素结构钢，什么叫做调质钢，将其处理后，就变成了索氏体组织。可以进行调质的钢材种类是比较多的，比方说有40MnB、35CrMo、45钢等等。这些材料的钢材，一旦经过调质，钢的强度就变强了，然而它们没有好的淬透性能，无法得到相对均匀的物质。在很认真的思考下，我们选了45#钢。2、轴径最小许用值根据公式计算出扭转强度条件： 式（2.3） 式中 取d=5mm。3、确定轴上的零件的装配方案我们设计的该轴的形状、大小、所有内部和外部结构。内部结构：在机器里面轴装在什么地方，用什么形式后安装；安装的零部的件种类，零件的大小，以及零件的数量，及轴跟零部件连接方式；我们所设计该轴的需要，需承受性质、大小、力的方向还有分布的具体的情况；轴加工用什么工艺。和轴的结构根据实际需要不一样，因此对于轴来说不是一个标准。首先根据轴系类的不一样，然后想每个部分之间的关系，同时要考虑加工、安装、后期的拆卸以及维修，适当进行调整，最终的规模结构以及把轴确定。4、轴上零件的定位 （1）轴向定位：根据轴的肩和套筒进行保证该轴上面零件的。 （2）周向定位：轴上的零件和轴之间不可以有相对转动，我们这个论文里面是用键来进行固定的。5、轴各段直径和长度的确定比较样机，将主轴的直径每一段以及主轴的长度的确定。下面的图纸2-3展示的就是这个连接轴的结构。图2-3连接轴构造图2.3.4 座架、上支架及左右固定架的设计与确定1、座架、上支架及左右固定架的作用可以承受的装置，我们需要想机械结构的承受力，零件的合理设计对于整个机构的正常运动，肯定有推波助澜作用。我们设计之前，先要了解机架的零件一般要有以下几个要求： （1）有很够的强度以及刚度； （2）形状很简单，制造方便； （3）在机架上安装附件比较方便。机架要抗摩擦性很好，能够让机架长寿，在正常工作的时候机器要稳定也要足够安全。2、零件材料的选择经过权衡确定选择器材料为Q235。3、零件结构的确定考虑到我们设计的机器人外部的形状不大。我们采用Q235钢板作为支撑。选用这个材料是因为它的成本不高，使用的材料也不多，虽然这样，但是产品的性能还是能够达到要求的。具体的结构架下面的图2-4座架构造图、图2-5上支架构造图、图2-6左右固定架构造图。图2-4 座架构造图图2-5 上支架构造图图2-6 左右固定架构造图2.3.5 轴承的选择与确定对轴承进行选用和选择，根据差不多的型号的了解，受载荷的方向以及所受的载荷、旋转运动速度影响等等。当转速较高，而且比较小的地方的负荷，我们选择点接触球轴承；装轴承将其承载负荷偏大，转速又小，我们选择线接触滚子轴承；安装轴承的受力方向，并继承力方向的直径，我们选择以线接触的圆锥滚子轴承；另一种就是力的轴方向大，直径方向受用比较小的力，在这种情况下，我们应该选择深沟球轴承。滚动轴承是很正确的零件，生产厂商是一家专业生产厂商。滚动轴承的类型，尺寸和公差等级都有相应的国家标准，我们在机械设计，只要按照我们实际的需要，可以选用合格的轴承，然后再在对轴承组合。经过计算和分析，高速旋转轴的旋转速度，而且我们也知道，轴承是标准的，因为轴的直径，我们能够了解轴承的型号。1、轴承的润滑选择在工作时同时有滚动和滑动，从而使摩擦后磨损要少得多，她可以很好的减少烧伤和锈蚀，因此我们必须要润滑。我们经常使用润滑剂的油和脂肪的油固体的形状的油。油比脂好，可在高温的情况下使用，在脂不能满足的情况下我们所有人都是使用油。脂比油密封性能好，加一次可以使用很长时间，因此脂用的也是比较多的。在本论文中我们要让轴承旋转速度慢下来并能够受一定的重量，运动时连续的，我们觉得还是润滑脂更好些。2、轴承的密封 （1）滚动轴承的预紧预紧的概念是我们把轴承装到轴承座还有轴的上面，安装好了以后，我们通过正确方式使内部滚动物体和里面还有外面都保持压紧状态。我们对轴承进行预紧的宗旨是为承载来支持更好的刚性，可以降低震动和噪音，还可以防止滚动体进行滑动由于惯性在圈内和圈外。（2）轴承的安装和拆卸在我们的轴承没有突破的时候，我们必须根据轴上来安装还有拆卸的方向，我们使用里面的圈还有外面的圈来把轴承分开。安装在偏长的轴的上，这样在装的时候就比较方便，确定圈里面孔的比例是1：12。153 自平衡控制方案只有在确保机器人保持平衡的前提下，机器人的行走、转弯才能体现实际的意义，机器人平衡控制是为了获得身体的确切位姿消息，这也是为了获得倾斜角、倾斜角速度这些姿势消息的关键，系统就采用的是加速计跟陀螺仪。两轮平衡机器人姿态传感器（即，陀螺仪和加速度计），用于测量机器人所在位置俯仰状态和状态变化率，科学实验检验等所获得数值和命令是经过速度比较高的CPU考量，然后使电动机能够驱动产生加速度，以实现所述其移动或站立周围的平衡的一种状态，在姿势的检测服务系统中，利用陀螺仪和加速度计的使用有用，但不能提供可靠性的信息，以确保该机器人的平衡。该论文用的是MPU6050是个6轴传感器，是捕捉角的度数以及角速度，采用一种方法叫法，以及加速度仪通过一些数据传出来的消息结合起来，而且可以弥补一些误差，像陀螺仪的和加速度计的动，就能取得非常好的相似又很接近的角度。利用的算术法，控制电机的转动扭矩，简单，可以直立行走的平衡机器人。3.1 姿态传感器信号处理两轮子自主平衡机器人的检验测量里面，关键是适合检测试验机器人偏斜角的度数和偏斜的角度的变化的速度，加速度计属于直线运动传感器的测量，它很不错，它可以确凿无误地测试出在静点时的机器人的角度，然而它对颠簸更加敏锐，而且它强烈地受运动加速度的影响。在量角度的时候，机器人角度变化的信号外，还会随着机器人的运动而产生噪声，并且机器人动态时的时速的变快，噪声也会随之大起来。陀螺仪拥有勘测回旋活动的传感器的排出来的某个数据将会环抱一个轴的方向的回旋脚的速度率，角度值可以经过对积分来拥有。陀螺仪的角速率信息可以由统一微控制器循环采样来获取，在时间间隔不长的时光内，利用累计集聚数值的主义来获得积分算出角度的数值，因此，在时刻比较短的情况下是非常适宜的。3.2 MPU6050传感器电路图3-1如图上面有三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计，这个模块是全世界首例整合性轴运动处理组件，经过比较之后，以组合方式的陀螺仪和加速器数据产生时去除了存在的时间差问题，并且大量的减少了许多的，一整套的尺寸都变小了。每个轴上的每一个AD转换器都是16位的，测量的范围达到16g，它的分辨率(39 mg /LSB)很高，能够不到1.0的变化。芯片在正常工作的时候，采集x轴、y轴和z 轴的，再AD转换，然后的时间转换成数字信号，最后控制芯片上用I2C的数据输送到，现在得到的值还不是我们需要的真实的数值，还要需要转换用一定的方法，比如采用比例关系，才会得到我们真实需要的，它的电路如图3-2所示。MPU6050芯片主要的引脚功能见下表3-1。表3-1 引脚功能加速度计能够测速，x方向、y方向和z方向的的数值。自己能够平衡自主的机器人量出来重力加速度在xyz轴上的分量，用每个方向的分量以及重力上的加速度的比出来的数值，从而算出小车倾角的大概数值。我们都知道自主平衡的机器人在走路时，加速度计测算出来的结果答案并不是我们想要的。下面的图如图3-2，先把加速度计放平整，x、y、z轴的三轴的方向。这三个轴是我们要用的坐标系：图3-2 坐标系图3-3 与y轴平行图3-4 y轴与坐标系原点重合从重力加速度水平面，可以了解到： 式（3.1）x轴y轴，知道： 式（3.2）从而能够了解： 式（3.3）我们学过力的分解，能够形成矩形，了解到： 式（3.4） 知道正弦定理： 式（3.5）这个角度不是理想的，反正弦在单片机里又很难算。在一种情况下，角度很小，角度的正弦与角度对应的弧度成线性关系。先看看下边的图3.5： 图3.5 正弦角度与角度对应的弧度的线性关系 上图x轴是角度，可以取到范围的度数为零到九十度之间，函数曲线分别为：正弦曲线： 式（3.6）弧度： 式（3.7）与的弧度相乘： 式（3.8） 式（3.9） 看图了解，角度在零到二十九度之间： 式（3.10）自主平衡机器人在-29到29度之间摇摆，如果测出来的数值不在这个数值之间的话，机器人就会摇摆，机器人可以说是对的。如果怕出错的话，那就在之前的公式与一个系数相乘。得到如下公式： 式（3.11） 系数取0.92，角度增大到-4545度。分析之后，角度互换算术的方法如下： 式（3.12） 式（3.13） 得到： 式（3.14）就可以知道角的度数： 式（3.15）这下角度就可以很简单的知道了。陀螺仪测角度数就可以不难了，通过陀螺仪读出来的是用角速度与时间相乘，则角的度数就出来了。依次算出的角度再累积起来，现在所处的位置的角度就可以知道。先看下图3-6： 图3-6设一开始的陀螺仪平行于水平面，单片机就会每tms就会测，三次以后 z轴就跑到如图的位置，所以角度为： 式（3.16）如果陀螺仪的角速度为，总的角度数为： 式（3.17）如果是n次的话，总角度为： 式（3.18）角的度数算出来还是略微不准的，总的角的度数误差更大，实际值跟算出来的值两者之间就不准啦。这时就需要进行融合加速度计和陀螺仪的传输出来的值，系统要用数据融合的卡尔曼滤波方法进行，是为了获得机器人在准确角度的动态值。其实卡尔曼滤波器是递归算法，如果你想要大约了解真实角度的数值，一开始，通过的角度值来事先估计运算，得到K 时刻的角的度数，再按照K 和的方差实行，一直要等到最棒的角度值出现。图3-3 MPU6050的接口电路此模块继承了芯片所需要的所有的电阻和电容，如图3-3，只需要外部电源、接地，就可以通过I2C接口非间接来读取数据。飞利浦公司出来的I2C总线是一款双向双线总的线路。使用芯片之间的来实现全双工同时进行的数据传送和输送，一种是SDA，另一种就是SCL，而且可以非常容易地。ATmega16单片机上面有硬件I2C模块，成为在，而且，只占用2个接口，可以实现几台设备共享一条总线，用起来很省心，操作也很方便利落。所述的总线的时序被硬件实现了，大量的编程工作也少了好多，该控制寄存器，就可以通过总线来实现输送算出来的数值。卡尔曼滤波器是一种效率很高的递归滤波器，可以测量不完全系统或者有噪音，估算出它当时的状态。卡尔曼滤波器不仅仅可以估计以前的状态、现在的状态还可以看到以后的状态。无论是传感器也好，还是陀螺仪也好，他们发出来的信号都是模拟型号，一定要经过AD,才能知道他们的电压是多少，之后在由卡尔曼滤波对它进行过滤，这样就会知道角度是多少，角速度是多少。4 寻迹方案本论文机器人寻线控制的方法是用CMOS传感器，这个很便宜、速度快而且简洁方便，通过CMOS传感器采集地面上有颜色的线图像信号，用摄像头来进行一个一个的扫描，那些点会传到表面是，摄像头反应出来的是有画面的一样步调的“暗号”。机器人在运动的时候，会一直收集图像，能够收集两百八十五行非常有用的资料，在跑道上的黑色还有白色的线的颜色很突出，受到打搅的机会不会太多，因此检查测量黑色的线二十行就可以了，读取数据，有要单片机里的一开始的数值处理二值化，这个得通过AVRPWM波和D/A去，做个精确到位置在机器人寻找线路。AVR单片机作为研究控制的平台，作为感知模块的CMOS图像传感器，找到了寻找线路的控制寻线的方法，数据的收集和机器人寻线的控制实现。下面的图4-1：CMOS图像传感器单片机控制系统步/场同步信号分离电路INT0INT1AIN0驱动系统 图4-1系统框图图4-2 CMOS在对动态画面的数值的时候，为了找到更好的临界值，所以要收集好多资料信息，每次都取最小数值，再求平均值，对于最后的结果再来一起补偿（数值在五到十之间）。临界值的表达式为： 式（4.1）式中 ； C； 。二值化的分开来割： 式（4.2）式中 ； 。在有不允许的声音的情况下，CMOS对周围环境较敏感，特别是在二值化分开来割以后，产生的图片效果里面有走过的撸的一些资料，除此之外，还有打扰图像的声音，为了很好的对跑道上的黑色的线进行算术，那些不必要的吵闹的声音肯定要消掉它。那要怎么处理呢？首先我们选取一组数据靠机器人比较近的那组，消除不允许的声音。下面是条件：（1）假如颜色是黑色的点点的数量超过一个，说明不允许的声音不大，反之，有很大的不允许的声音，把零改成一，那就再看下面出现黑色线的地方。（2）现在这一行黑色线的那个地方和上一次的看看是不是在某个范围里，按照所说的连续性，给出来的一定值超标，就可以说是不允许的声音，把零写成一，再和第一步一样继续寻找下一个黑色线的地方。在基准的行里面，把那些数值只当做是看看的，再依据图像呈现的数据的连贯性，对不允许的声音把他弄掉。图4-2是不允许的声音处理前后的效果对比图：图4-2噪音处理前、后在条件都符合的情况下，它就是我们承认的跑道中的对黑线的引导，求出中心位置： 式（4.3） 式中 ； 。在图像呈现出来的数据都经过修改之后，那些信息就会显现的很清楚，用如图4-3的做法：图4-3 示意图从第一点（X0，Y0），再选一个最远的位置（X1，Y1），按照这个求出斜率以及黑色的线的远离图中位置比较居中的偏移之后的数值。 式(4.4) 在无数次的试验后，那些数据就能够取到比例系数的精确值。在如图上面的弯曲的线中取四分之一点处，拨动两轮转动方向的表达式为： 式(4.5)在两断曲线处的点（X2，Y2）、点（X1，Y1）,就能够估算出接下来要走的方向。 5 控制系统硬件部分设计控制系统的组成部分是上位机，还有下位机。上位机和下位机在进行联系的时候是通过串口来进行的；下位机主要功能就是对数据进行处理，对电机进行控制。控制系统硬件结构如图5-1所示。角速度传感器加速度传感器PID控制调节(产生相应的PWM)卡尔曼滤波器PID控制器左轮电机右轮电机图5-1 平衡机器人控制系统的构造图纸5.1 微控制器选型按照机器人对于系统实际的需求，确定使用的处理器是八位的AVR微处理器，这种控制器的性能是非常好的，并且对功率的消耗是很低的。ATmega16处理器有16k字节的在系统里面可以编制程序Flash、512字节、1K字节SRAM、个通用I/O口线、32个我们经常用的工作寄存器、3种模式比较灵活的定时器/计数器等等特点，如图5-2所示。图5-2 ATmega16芯片的外形，还有它的引脚的格局这种芯片的外形是非常的小的，并且性能也是没有太大的变化的，指令集是很先进的，而且在芯片里面还有闹钟的功能，芯片里面的资源是很多的，所以在两轮机器人进行测量的时候，状态是非常多的，程序的构造也是比较充足的，功能可以进行扩展，而且在进行控制的时候时效性也是很好的。在这个系统里面钟的频率是八赫兹的，性能也是非常好的，是8MIPS。在这个系统右下角落里面就是它的电压电路，是AD集成的，这个集成电路的电压是非常的稳定的。这样一来对数据进行收集的时候，精确性就更好，稳定性也是更好的。晶振电路如图5-2所示。图5-2 晶振电路5.2 驱动机构控制电路设计论文里面机器人使用的是驱动直流电动机，用集成芯片L298N来对它进行驱动。这个芯片是双H桥高电压大电流功率集成电路。它的生产厂家是ST，在这个电路里面有两个H桥，并且在这两个桥的臂上面都设置了推动电路，这样可以避免桥臂跟这个控制逻辑电路直接连接上。在图5-3里面，展示的就是这个芯片的两大功能，一个是推动级，还有一个是驱动级，把这个集成芯片跟原来我们使用的分立元件的桥式驱动电路来进行比较，不仅结构简单了很多，而且电路的可靠性也是非常好的，针对一些中型，或者是小型的电动机，它是完全可以满足的。在这个芯片里面，它的电路的原理是PHW的，在h桥的下面以便的桥臂那，晶体管会发出来一个极可以跟他连接在一起，它的输出脚可以跟电流连接在一起，对电阻进行相关的测量。脚9跟逻辑控制的电源连接在一起，这个电源的电压一般是五伏的。4脚为电机驱动电源Vs。5、7、10、12脚有很标准的TTL信号输到里面去，这样可以让h桥进行打开还有关闭。6、11脚则为使能端控制。主要数据：Vs（电源）为50V；Vss(逻辑电源)为 7V；ViVinh(输入或禁止信号)为 -0.30.7V；P（总功耗）为25W等等。图5-3 L298原理框图L298N在将控制型号输进去TTL的时候，跟单片机连接的时候是非常便利的。具体电路见图5.4所示：图5-4 L298构成的驱动电路因为在它的里面，驱动电路有四条，可以对电动机转动时候的状态进行控制，在下面的表格里面想写列出来电动机转动状态编码见表5-1：表5-1 电机转动状态编码右边的电动机左边的电动机左边的电动机右边的电动机两轮平衡车在运动时候所处的状态PB0PB1PB3PB41010正转正转向前行1001反转正转向左传1 0 0 0 停下来正方向转动以左边这个电动机为原心，向左边进行转动0110正转反转向右转0 0 1 0 正方向转动停下来以右边这个电动机为原心，向右边进行转动0101反转反转向后退从以上看出：电流从PB0(PB3) 流向PB1(PB4)， 电机正转；反之电机反转；00代表就是在电动机里面是没有电流的，这个时候电动机也不转动了。在确定使用哪一种插座的时候，按照实际使用情况来确定，在这里确定的电压是二十四伏。用最常用的MC7805ACT芯片作为稳压模块的芯片，因为它可以稳住电压、限制电流、内部的话可以过热保护，也能够短路电流限制，散热也非常的好。电路图5-5所示。图5-5 稳压电路图5.3 编码器编码器是一种把角位移或者直线位移转化成电信号的类型装置，按照不同标准就可以分为不同的种类。按照读出方式分为：接触式、非接触式。按照工作原理编码器可以分为：增量式、绝对式。按照测量的物理原理编码器可以分为：光电式、电磁式。在本设计中，用的是增量式电磁式旋转编码器。增量式电磁旋转编码器的测量输出它与光电式的没有什么区别，就是一组脉冲信号，它的物理原理不同而已，电磁旋转编码器的原理就是基于霍尔效应的。电磁旋转编码器它是由磁性元件、霍尔元件和信号处理组成。当那个工作的轴转动后，磁性元件也随之转动，霍尔元件就会查收到磁场中的交替变化，通过这些磁信号转换为电信号，再通过信号的处理电路的一些整形、放大后再输出。由放大器放大之后经过施密特触发器的整形输出电压信号，再靠控制三极管的通断向外输出脉冲信号。将两个霍尔元件摆放在合适的空间位置上就可以测出转向的信息。这两个霍尔元件的输出信号相差/2的相位（属于正交编码）。这两路就会输出A、B两相信号，当A相超前B相时，旋转轴为正轴；当B相超前A相时，旋转轴为反转。5.4 串口通讯电路设计串口通讯包括两部分：在平衡机器人的控制器还有上位机之间，他们的协议是MAX-232 ,是用来对机器人的整个系统进行调节的，它所包括的内容有传感器，PID数据等等，这些数据都会在上位机上显示出来，而且还要对它的数值进行线修改。MAX-232芯片是用在方面，能够以输入的5V10V电源。我们值得意识到的是，以及针接头和接收引脚必须要对应起来，犯错是不允许的。电路图如图5-6所示：图5-6 串口通讯电路6 控制系统软件部分设计控制器的软件使用的是ICCAVR7.22，通过来回的周期里面，断开来之后就停止对高度的及时控制了，在周期里面，对传感器传送来的数据通过软件进行相关处理，通过软件将数据计算出来，然后再将这些数据传动到控制系统里面，进行反馈控制。下面的图6.1里面展示的就是文中机器人软件系统控制的结构。其中包括两种控制模式：主从控制和独立控制。在主从控制模式下面，主控制器就是上位机，从控制器就是下位机，控制命令从这个主控制器里面发送出来；在独立控制的模式下面，没有主控制器，在进行自主导航的时候，是由下位机来实现的。状态信息处理位姿信息处理运动控制运动控制算法平衡控制算法位姿估计算法数据处理算法轨迹规划控制速度规划控制感知系统图6-1 两轮平衡机器人软件的构造图纸6.1 串口通讯定义在这个系统里面，要想清楚的知道传感器的数据，还有它处在什么状态下，所以在它的上面安装一个串口通信。串口的作用就是上位机对下位机进行控制，从而对机器人进行控制；在系统里面，命令的数字表示是比较多的，表达的控制功能也是不一样的。6.2 上位机软件设计上位机使用来对机器人所处的姿势还有状态进行信息的收集的，在调试系统的时候，将相关的控制命令输进去。上位机软件的运行过程如下：初始化通讯端口之后，将数据发送到下位机里面去，假如说数据包是由运动控制的，那么要等待一段时间，到下位机有所响应的时候再将位置信息，状态信息都发送出去。如果说将这个数据包发送出去了，那么再接着发送下一条，假如说这个信息发送错误了，那么要对这个数据重新进行采集，重新进行发送。并且机器人会有一个错误的提示发出来。6.3 下位机软件设计下位机是对上位机的命令进行执行的，将机器人所在的位置，还有所处的状态这些信息传送给上位机，确保机器人动力的平衡的进行动作。在调试系统的时候，按照上位机发送过来的数据，对机器人的所在地点还有站立的姿势进行调整。如果没有上位机的数据，那么下位机可以自己对机器人的位置，姿势进行调整，可以进行自主导航的运动。在进行好初始化之后，假如说跟串口接起来之后，就能接收到上位机的数据，然后就根据数据的要求完成相关的动作。下位机还能自己对上位机的命令进行响应，让机器人进行相关的动作。在机器人的系统里面，感知系统包括了机器人的位置，姿势，还有状态，在下位机里面通过PID计算。6.4 两轮自平衡寻线机器人的PID控制PID控制很好用，是自动控制理论和自动控制方法中经常使用的普遍的适用性。控制技术适运动控制合适的大多数地方，控制技术的现身也越来越多了，让运动控制发展更好，比如说智能型的技术，。然而，PID控制仍远从我们的实际或者实践过程中使过用的控制技术是经常使用的。具有典范的是相当不复杂的，鲁棒性也是很不错的。PID控制技术的原理和控制方法先进行介绍和研究，PID控制的调节规律 ，姿态检测出的身体位置和角度信息等，它将会传播到系统控制单元，控制单元经过解析以及对处理器的处理，运用PID控制技术使用命令驱动装置运用，是执行机构，使闭环控制系统。在当前，PID控制仍然活跃在各种工业控制的应用程序中，并且使用的范围如此广泛，PID控制缺乏控制的一些特点还有许多其他的有点，正是如此所以才能够使PID控制站住脚跟。6.5 PID控制原理在如今还是PID控制使用范围比较广，PID原理其实很简单，一个特点是容易实现，所以人们对它比较喜爱，在一定的条件下，它的鲁棒性也是很好的，然而对模型参数的变化反应不是很敏感，所以说，PID控制是。PID控制算法的表达式可以表述为： 式（6.1） 式中 U(t)； e(t)为； KP为； KI为； KD为。 图6-3 PID控制原理图PID控制各校正环节作用如下:比例环节: 偏差信号e(t)成比例时 ，就会立马产生，来减小偏差。: 积分作用的取决积分时间常熟T，T越大，T越小，。: 反应偏差信号的趋势变化的，并且可以在偏差信号变得太大之前，在系统中引入修正信号，从此加快系统的动作速度来缩短调节时间。计算机控制属于离散型的采样控制，在系统中一般使用的是数字式的控制，T越小，数值就会越好。PID控制器表达式如下： 式（6.2） 式中 ； 。数字式的PID控制器能够分类为位置式和增量式，在本论文中适合位置式PID控制算法，由式6.2知道，k-1时刻的： 式（6.3） 式6.2与
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