基于單片機(jī)Cubli自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、    基于單片機(jī)cubli自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)    胡帥 李艷 劉杰 王龍摘要：本文對(duì)自平衡機(jī)器人進(jìn)行理論分析，根據(jù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)際特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了采用stm32單片機(jī)開(kāi)發(fā)的cubli自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用集成慣性輪、電機(jī)、傳感器陀螺義、編碼器和加速度計(jì)等傳感器作為機(jī)器人的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)，能夠滿足特種環(huán)境作業(yè)、教學(xué)研究的要求。關(guān)鍵詞：自平衡機(jī)器人;單片機(jī);控制系統(tǒng)中圖分類號(hào)：tp242   文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a   文章編號(hào)：1672-9129（2020）04-0048-01abstr

2、act：in this paper， the self-balancing robot is analyzed theoretically. according to the actual characteristics of the robot control system， the cubli self-balancing robot control system developed by stm32 microcontroller is designed. the system uses integrated inertial wheel， motor， sensor gyroscope

3、， encoder and accelerometer as sensors and actuators. the robot runs smoothly and can meet the requirements of special environment operation， teaching and research.key words：self-balancing robot;single chip microcomputer;control systemcubli自平衡機(jī)器人可通過(guò)內(nèi)置的力矩發(fā)生裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)立方體機(jī)器人的跳躍運(yùn)動(dòng)。立方體機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個(gè)多輸入多輸出的系統(tǒng)，該系

4、統(tǒng)為強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，其控制方法一直是控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)1。本文設(shè)計(jì)的cabli自平衡機(jī)器人由立方體本體、傳感器以及微處理器控制系統(tǒng)構(gòu)成。在微處理器的控制下，立方體本體受到慣性輪加減速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的反作用力矩，傳感器將系統(tǒng)參數(shù)反饋到控制器實(shí)現(xiàn)立方體機(jī)器人的姿態(tài)控制。1 cubli自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)原理分析從建模的角度看，立方體機(jī)器人由箱體和布置在箱體三個(gè)面上的慣性輪共四個(gè)剛體構(gòu)成。分別以立方體角點(diǎn)o、立方體機(jī)器人的質(zhì)心點(diǎn)c為原點(diǎn)，建立固定坐標(biāo)系o-xyz、機(jī)體坐標(biāo)系o-xbybzb和慣性輪坐標(biāo)系o-xf yf zf，其中坐標(biāo)軸xf、yf、zf分別指向慣性輪a、b、c的回轉(zhuǎn)軸線。自平衡機(jī)器

5、人中的自抗擾控制是以系統(tǒng)設(shè)定值、系統(tǒng)被控輸出和上一步算出的控制量為其輸入確定出新的控制量的控制方法。該方法主要由跟蹤微分器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和非線性狀態(tài)誤差反饋三部分構(gòu)成。自抗擾的機(jī)理在于把作用于被控對(duì)象的所有不確定因素都?xì)w結(jié)為擾動(dòng)，用對(duì)象的輸入輸出數(shù)據(jù)對(duì)總擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì)補(bǔ)償2。自抗擾控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。跟蹤微分器為輸入信號(hào)安排過(guò)渡過(guò)程，能降低初始階段對(duì)系統(tǒng)的沖擊、有效解決超調(diào)與快速性的矛盾，并增強(qiáng)控制器的適應(yīng)性;擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器是在狀態(tài)觀測(cè)器中把作用于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的加速度實(shí)時(shí)作用量擴(kuò)充為新的狀態(tài)變量，將原來(lái)的非線性控制系統(tǒng)變?yōu)榫€性的積分器串聯(lián)型控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)擾和外擾進(jìn)行動(dòng)態(tài)估計(jì)補(bǔ)償，是自抗擾控

6、制中的最核心技術(shù)。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在機(jī)器人為立方體結(jié)構(gòu)，在機(jī)器人的三個(gè)側(cè)面安裝有慣性輪，作為輔助輪。整個(gè)機(jī)器人電路部分有多個(gè)層面電路層疊構(gòu)成。為了便于調(diào)試和顯示觀察，最上面一層設(shè)置為stm32f103單片機(jī)的核心系統(tǒng)以及顯示系統(tǒng)。系統(tǒng)配置彩色小型顯示屏用來(lái)顯示機(jī)器人的狀態(tài)參數(shù)。為保護(hù)各種高精度傳感器，在第二層放置各種傳感裝置，可以縮短與單片機(jī)的通訊距離提高信號(hào)質(zhì)量，還能減少其他信號(hào)干擾，提高機(jī)器人的可靠性。第三層防止電池已經(jīng)驅(qū)動(dòng)裝置，布局上盡量均衡分布，平衡重心3。3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)cubli自平衡機(jī)器人的硬件平臺(tái)搭建問(wèn)題，本系統(tǒng)采用基于stm32位單片機(jī)搭建機(jī)器人的主控模塊，主控模塊完成機(jī)

7、器人的姿態(tài)解算、基于編碼器與姿態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)電機(jī)控制飛輪使其保持平衡。cubli有三個(gè)內(nèi)置的轉(zhuǎn)輪，它們沿著不同的軸調(diào)整轉(zhuǎn)速和角動(dòng)量，從而產(chǎn)生足夠的動(dòng)力來(lái)保持立方體的平衡。cubli機(jī)器人三個(gè)垂直表面的法線方向都被飛輪穩(wěn)定起來(lái)，于是在三維空間里獲得了相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性4。反應(yīng)輪作用是由電動(dòng)馬達(dá)連接的轉(zhuǎn)輪，根據(jù)不同的旋轉(zhuǎn)速度向著慣性的反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到不倒翁的功能懸停。反應(yīng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)使一條邊線與底面接觸，達(dá)到單邊平衡的狀態(tài)，反應(yīng)輪旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，使單點(diǎn)站立平衡，達(dá)到了移動(dòng)的目的。cubli自平衡機(jī)器人的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由stm32f103芯片作為主控芯片，同時(shí)配置加速度計(jì)和陀螺儀各一個(gè)，用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。系統(tǒng)

8、設(shè)置有驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及配套的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器并配置有編碼器，可以精確測(cè)量機(jī)器人的運(yùn)行速度，作為反饋量提供給單片機(jī)控制系統(tǒng)。機(jī)器人的傾斜角度和角速度由速度計(jì)和陀螺儀進(jìn)行檢測(cè)，然后由stm32單片機(jī)計(jì)算出實(shí)際的狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中加速度計(jì)采用 mma7260作為狀態(tài)測(cè)量芯片，將mma7260檢測(cè)到的模擬信號(hào)接入stm32f103的a/d模塊，測(cè)量運(yùn)動(dòng)加速度。4 結(jié)論本文設(shè)計(jì)的基于stm32單片機(jī)的cubli自平衡機(jī)器人，結(jié)構(gòu)功能完善，系統(tǒng)穩(wěn)定，可靠性高，方便快速改裝并且操作簡(jiǎn)單。可代替人工進(jìn)入環(huán)境惡劣或者危險(xiǎn)區(qū)域，代替人們執(zhí)行任務(wù)，能滿足各種不同環(huán)境的使用要求。同時(shí)該機(jī)器人能夠廣泛的應(yīng)用于教育領(lǐng)域，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性和學(xué)習(xí)的積極性，具有一定的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)：1趙魯.基于stm32掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)j.國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2018.11：100-103.2殷盛潔.基于自抗擾技術(shù)的異步電動(dòng)機(jī)速度控制j.中國(guó)