双轮直立智能机器人平衡控制系统设计.doc

1、2012 届毕业生毕业设计说明书题 目: 双轮直立智能机器人平衡系统设计 目 次1 概述 .11.1 轮式智能机器人的 研究背景及意义 .11.2 国内外研究现状 .21.3 课题研究内容 .22 总体设计方案 .32.1 双轮智能平衡机器人的工作原理 .32.2 机器人平衡控制系统方案分析 .43 微控制器和检测电路设计 .53.1 S08 微控制器 .53.2 角度和角速度检测模块 .73.3 速度传感器 .94 驱动电路及电源模块设计 .104.1 微型直流电机 .104.2 电机驱动模块 .104.3 电源模块设计 .115 软件设计 .125.1 S08AW60 微控制器资源配置 .

2、125.2 PID 控制原理 .145.3 程序设计 .15总结 .191 概述 1.1 轮式智能机器人的研究背景及意义随着科学技术的迅速发展，人类进入了数字化、智能化时代，计算机科学和控制理论的发展为人类制造高度智能的仿真机器人提供了可能。专家预言，二十一世纪将是机器人的时代。从上个世纪八十年代开始，机器人技术逐渐形成了一个比较系统的科学体系，它将力学、机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制理论和算法等学科融为一体，不断吸收其它相关学科的最新研究成果，形成了一门独立的高科技学科。移动机器人是现代机器人中的一个重要的分支，它能够根据指定的命令，自主运动到特定位置，具备对工作环境的感知和

3、自我适应、运动的实时决策以及自身的行为控制等功能，它具有很高的军事、商业价值 1。近年来，移动机器人已经得到广泛的应用，几乎渗透到各个行业，所实现的功能也是越来越复杂，例如应用于核电站、军事应用、宇宙探索、防灾救灾、危险品运输、地形勘探、海洋开发等。轮式移动机器人作为移动机器人的一个重要分支。轮式移动机器人比较适合在狭窄和大转角场合工作，因此轮式移动机器人的实用价值和理论价值都非常高 2。 1.2 国内外研究现状在二十世纪八十年代末，日本东京电信大学自动化系的山藤一雄教授最早提出了双轮直立自平衡机器人的设计思想，并于1996年在日本通过了专利申请。如图1-1所示，机器人沿固定轨道行走，不能实现

4、转弯等动作。所以其研究并没有受到太多人的重视。直到本世纪初，人们才重新关注两轮直立平衡机器人，各国开始研发自己的两轮智能平衡机器人。国外的开发的机器人占了绝大部分，处于领先地位，国内的机器人主要还处在理论研究阶段，只开发了少数的原型机 3。图1-1 早期自平衡机器人1.3 课题研究内容本课题研究的主要内容是微型直流电动机的控制与驱动，双轮直立智能平衡机器人的平衡控制系统两方面内容。双轮智能平衡机器人的平衡控制系统采用 S08 单片机作为控制器，采用倾角传感器和加速度传感器组成姿态传感器来检测车体平台的倾斜角度和倾倒速率，运用 PWM 脉宽调制技术控制驱动直流电机；姿态传感器的检测输出为反馈信号

5、输送给控制器，根据反馈信号采用 PID 控制算法调节控制器输出的 PWM 脉宽的占空比，从而改变直流电机的转速以实现系统的平衡。2 总体设计方案两轮直立智能平衡机器人根据运动特性可分为机械系统和控制系统两个主要部分，其中控制系统主要包括：电机、驱动电路、姿态检测系统、电源电路以及MCU 控制器等。本设计主要研究智能平衡机器人的控制系统，其主要的任务是：检测机器人车体倾倒的角度和角速度，以及直流电机的转速和转向，调节机器人行进的速度以实现机器人系统的平衡控制。2.1 双轮智能平衡机器人的工作原理将双轮直立平衡机器人系统简化成放置在可以左右移动的车轮上的倒立摆模型，如图 2-1 所示。它具有三个自

6、由度，分别是：以倾斜角度 为描述对象，绕 x 旋转；以 为描述对象，绕 z 旋转；以 和 为描述对象，沿 y 轴方向的lvr位置移动。其中， 为机器人体的倾斜角度， 为机器人的旋转角度，机器人左轮的移动速度为 ， 表示机器人右轮的移动速度 5。lvr图2-1 两轮直立平衡机器人模型假设系统的参数为： 为机器人体质量，左右轮的质量为 ， 为mrlmJ机器人体转动惯量，以 表示绕机器人体质心的转动惯量； 为轮子的转J rlJ动惯量，R 为轮子的半径， 为机器人体质心到两轮轴间的距离， 为两轮间距Lf的一半。系统的总动能包括机器人体的转动动能 ，平动动能 ，左右轮的转1T2T动动能 和平动动能 ，以

7、及车轮绕轴转动的动能 6。它们的表达式分别如3T4T5下式所示： 21J2zyxvmT22l31rvmT4Jlr2251frl系统的总动能 54321TT222222 222 11J1 sincossin fmJRmLRLf rllrrll rlrl 依据对双轮直立机器人的动力学和运动学分析可知：控制机器人车模直立平衡的条件是能够精确测量车模倾角的大小和倾倒角速度的大小以及可以控制车轮的加速度。2.2 机器人平衡控制系统方案分析根据双对轮直立智能机器人的动力学和运动学分析设计平衡控制系统。双轮直立智能机器人的平衡控制系统采用 S08 微控制器作为控制系统的核心控制器，采用倾角传感器 和加速度传

8、感器组成姿态传感器来检测车体平台的倾斜角度和倾倒速率，采用光电码盘测量机器人的行进速度，运用 PWM 脉宽调制技术控制直流电机；姿态传感器的检测输出为反馈信号输送给控制器，根据反馈信号采用 PID 控制算法调节控制器输出的 PWM 脉宽的占空比，从而改变伺服电机的转速以实现系统的平衡。 ，双轮直立智能机器人平衡系统的组成如下图 2-2 所示：S 0 8 微控制器 驱动电路 直流电机速度检测信号处理电路倾角传感器加速度传感器图 2-2 平衡控制系统框图3 微控制器和检测电路设计3.1 S08 微控制器Freescale 半导体公司的 8 位 MC9S08AW60 微控制器有特性如下 8：中央处理

9、器单元高达 40MHz CPU 时钟频率和 20MHz 内部总线频率,工作电压为 4.5V 至5.5V，且温度范围为-40到 85。最多拥有 32 个中断/复位源。多达 62KB 片上可编程 Flash 存储器，具有模块保护和安全选项功能。长达 2KB 的 RAM（内存） 。安全电路防止未经授权的访问内存和闪存内容。省电模式与系统保护两种停止节电模式和一种等待节省模式。允许时钟保持启用特定外设站模式。低压检测复位或中断。非法操作码检测复位。非法地址检测复位。闪光块保护。时钟源的选择可连接外部振荡器（XOSC） ，晶体或陶瓷谐振器的低频范围是 31.25KHz到 39.0625KHz，其高频范围

10、是 1MHz 至 16MHz。可选的看门狗复位，微控制器工作正常重置选项专用 1 千赫的内部时钟源和时钟总线。输入/输出具有 6 个通用 I/O 端口。I/O 引脚用做输入端时，可软件选择上拉电阻；用做输出端时，可软件选择强/弱驱动能力和压摆率。+ C3C1GNDC2VDDGND12POWERC6R3SW SPSTR1 R2C5C 4YXTALGND GNDGNDGNDVDDMC9S08VSSADVREFHVDDADVREFLVDDVSSRESETXTALEXTALPTA0PTA1PTB0PTB1PTB2PTB3PTD0PTD1PTD2PTE3PTA2PTA3PTE2PTF4PTF5图 3-1

11、 MC9S08 微控制器最小系统电路图3.2 角度和角速度检测模块加速度传感器 MMA7260 采用信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术。该器件带有低通滤波和 0g 补偿，提供休眠模式，低功耗，性能稳定，抗震动能力强 9。因而是电池供电的无线数据采集的理想之选。SCA610-CA1H1G 倾斜角度传感器是 VTI 公司采用电容式 3D-MEMS 技术设计、生产的陀螺式倾斜角度传感器。此倾斜角度传感器具有显着的负载能力和非常好的冲击耐久性，并且在全温度区都能表现出它卓越的可靠性，超凡的稳定性和高精度 10，单电源供电压+5V，模拟电压输出范围 4.75V-5.25V ，测量量程1g（90 度）

12、，八引脚塑料表贴封装，增强的失效检测功能，数字激活式电气自我检测功能，校正存储器的奇偶校验核实功能，连续连接失效检测功能，传感组件的频率响应可控，兼容 ROHS 标准，支持无铅焊。机器人车体的倾斜角度和由 SCA610-CA1H1G 直接输出，角速度可由角度信息微分得到，再依据MMA7260 的输出对角度和角速度进行补偿矫正，从而得到精确且稳定的角速度和角度信息。综合考虑，本设计选择由 MMA7260 和 SCA610-CA1H1G 组成的角度检测传感器。可以根据逻辑输入引脚 g-Select1 和 g-Select2 的输入电平选择 MMA7260 的灵敏度（见表 3-1） 。依据 MMA7

13、260 的说明书，图 3-2 中阻容滤波电路的选择电阻 ,电容 。高精度单轴倾斜角度传感器 SCA610-CA1H1G 接线KR1FC1.0如图 3-3 所示,图中电阻 ,电容 ,电容 。KRFC1.0nFC470表3-1 MMA7260的控制引脚g-Select 与灵敏度选择g-Select1 g-Select2 量程 灵敏度0 0 1.5g 800mV/g1 0 2g 600mV/g0 1 4g 300mV/g输入电平1 1 6g 200mV/gC1C3C2R2RES1R3RES1GNDGNDGNDC4GNDVCCR1RES1sleepmodeg-select2g-select1XOUTY

14、OUTZOUTVDDVSSMMA7260入S08入B入入S08入D入图 3-2 MMA7260 典型接线图87651234SCA610 C0 GNDC1RGND入入S08VCC图 3-3 SCA610-CA1H1G 接线图双轮直立机器人所采用的姿态角度检测系统主要由加速度计 MMA7260、倾角传感器 SCA610-CA1H1G、S08 微控制器、滤波电路等部分组成。姿态检测系统的硬件平台如图 3-4,由微处理器 S08 对 SCA610-CA1H1G 和 MMA7260 的输出进行高速 A/D 采样后,对倾斜角度和角速度数据进行处理和补偿, 由加速度计MMA7260 对倾角传感器 SCA610-CA1H1G 进行补偿矫正得到准确的姿态角度信号,再通过微分得到系统倾倒的角速度，此位置信息再通过 PID 控制器运算,输出PWM 信号,进而对电机进行控制。