1、英 文 摘 要 分 类 号 密 级 U D C 单位代码 大 连 海 事 大 学 工程硕士学位论文 两轮自平衡倒立摆式机器人系统设计与控制 申请学位类 别 工程硕士 工程领域 控制工程 论文完成日期 答辩日期 摘 要 指 导 教 师 职 称 学位授予单位 大连海事大学 答辩委员会主席 中 文 摘 要 两轮自平衡倒立摆式机器人 是一个本质不稳定系统，由于其自身的特性，可以用来研究各种控制算法。 它 具有结构简单、成本低、能量利用率高等特点，并且在很多领域代替人类从事着危险、复杂的劳动，发挥着重要的作用。近些年来，由于其 具有 广阔的应用前景，已经成为机器人研究领域的一个重要分支。 本文设计了一个
2、基于 BeagleBone Black 开发板的两轮自平衡倒立摆式机器人。 机器人 使用 集成了 加速度计和陀螺仪的姿态检测模块 MPU6050 检测角度和角速度，超声波模块 HC-SR04 测量 机器人 与障碍物之间的距离，光电编码器测量车轮的转速； BeagleBone Black 开发板 通过卡尔曼滤波将得到的角度和角速度进行数据融合，得到比较准确的角度，同时对测得的所有数据进行处理 得到 PWM值，通过电机驱动模块 TB6612 驱动电机，实现机器人的平衡以及避障功能。 本文又 根据经典的牛顿力学对系统建立动态数学模型 ，根据建立的模型设计双闭环 PID 控制器，并对设计的控制器进行仿
3、真实验，为实物调试提供理论依据。 本文结合硬件设计及系统工作方式对 系统进行软件设计。 最后，根据仿真得到的结果进行软硬件的 整体 调试工作。 最终 使机器人能够达到平衡状态，并能 实现避障功能。 关键词： 轮式 倒立摆； 机器人； BeagleBone Black； PID 控制；软硬件设计 英 文 摘 要 ABSTRACT Two-wheeled self-balancing inverted-pendulum robot is a natural unstable system, which can be used to study variable control algorithms
4、 due to its own characteristics. It has the features of simple structure, low cost, high energy utilization and so on, and replaces human to be engaged in dangerous and complex labor in many areas which plays an important role. For the past few years, it has become an important branch in the field o
5、f robotic research, for which it has broad prospects of applications. A two-wheeled self-balancing inverted-pendulum robot based on the BeagleBone Black is designed. The robot uses the MPU 6050 to measure angle and angular velocity which integrates accelerometer and gyroscope, uses ultrasonic module
6、 to measure the distance of the robot and the obstacle, and uses encoders to measure the wheel speed; BeagleBone Black performs data fusion of the angle and the angular velocity via the kalman filter, so as to obtain more accurate angle, at the same time, it deals with all the data measured to get a
7、 PWM value, which drives the motor through motor driver module TB6612, to achieve the balance of the robot and obstacle avoidance function. A dynamic mathematical model is established according to the classical Newtonian mechanics, a double closed loop PID controller is designed according to the mod
8、el established, and then simulation experiments is carried out on the design of the controller, which provides the theoretical basis for physical testing. Software is designed according to the hardware design and the operation mode of the system. Eventually, the overall debugging of software and har
9、dware is carried out according to the data of the simulation. Finally, the robot can reach equilibrium, and is able to realize the obstacle avoidance function. Keywords: Wheeled Inverted Pendulum; Robot; BeagleBone Black; PID Control; Design of Hardware and Software 目 录 目 录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 选题背景和意义
10、. 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.2.1 国外研究现状 . 3 1.2.2 国内研究情况 . 4 1.3 论文的研究内容 . 5 1.4 本章小结 . 6 第 2 章 两轮自平衡倒立摆式机器人系统硬件设计与实现 . 7 2.1 控制系统硬件总体设计 . 7 2.2 主控制器模块 . 8 2.3 电源模块 .11 2.3.1 电源 .11 2.3.2 电压转换模块 .11 2.3.3 电压转换器 . 13 2.3.4 供电顺序 . 14 2.4 检测模块 . 15 2.4.1 姿态检测传感器模块 . 15 2.4.2 超声波模块 . 17 2.4.3 编码器模块 . 19 2.5 电机
11、驱动模块 . 20 2.5.1 电动机 . 20 2.5.2 电机驱动 . 21 2.6 扩展功能 . 23 2.6.1 GPS 模块 . 23 2.6.2 BMP180 压力检测模块 . 23 2.6.3 HC-06 蓝牙模块 . 24 2.7 本章小结 . 25 第 3 章 两轮自平衡倒立摆式机器人系统的控制策略 . 26 目 录 3.1 两轮自平衡倒立摆式机器人系统的建模 . 26 3.1.1 直流电机模型 . 26 3.1.2 车轮模型 . 27 3.1.3 车身模型 . 29 3.1.4 机器人模型 . 32 3.2 两轮自平衡倒立摆式机器人系统的控制算法 . 34 3.2.1 PI
12、D 控制算法的介绍 . 34 3.2.2 PID 控制器的设计与仿真 . 36 3.3 本章小结 . 41 第 4 章 两轮自平衡倒立摆式机器人系统的实现 . 42 4.1 两轮自平衡倒立摆式机器人系统开发平台 . 42 4.1.1 操作系统 Debian 介绍 . 42 4.1.2 BeagleBone Black 的通信方式及软件开发平台 . 42 4.2 软件开发流程及程序设计 . 44 4.2.1 系统整体开发设计流程 . 44 4.2.2 系统的初始化 . 45 4.2.3 姿态传感器数据采集的程序设计 . 46 4.2.4 编码器测速的程序设计 . 50 4.2.5 超声波测速的程
13、序设计 . 52 4.2.6 驱动模块的程序设计 . 56 4.2.7 核心控制部分的程序设计 . 57 4.3 系统实现 . 58 4.4 本章小结 . 59 第 5 章 总结与展望 . 60 5.1 总结 . 60 5.2 存在的问题和改进 . 60 5.3 展 望 . 61 参 考 文 献 . 62 附录 两轮自平衡倒立摆式机器人原理图 . 65 两轮自平衡倒立摆式机器人系统设计与控制 -1- 第 1 章 绪论 1.1 选题背景和意义 移动机器人技术作为 20 世纪人类最伟大的发明之一，自问世以来，就一直备受瞩目 1。科学技术日新月异，机器人技术更是迅猛发展，应用领域不断扩展。从自动化生
14、产线到海洋资源的探索，乃至太空作业等领域，机器人从事着危险、复杂的劳动，其身影可谓是无处不在 2。目前，机器人已经走进了我们的生活与工作中，在很多领域代替人类的劳动，发挥着重要的作用，人类已经越来越离不开机器人的帮助 3。随着近年来以智慧地球、智能电网和智能家居等高端前沿产品为标志的物联网的快速发展，将移动机器人技术与物联网技术结合更是成为了科技的发展趋势。移动机器人由于其广阔的应用前景，已经成为机器人研究领域的一个重要分支 45。 两轮自平衡倒立摆式机器人是移动机器人的一种，其结构相当于直线倒立摆和轮式移动机器人的组合。 倒立摆是一个相当复杂的高阶次、多变量、非线性、强耦合、不确定的绝对不稳
15、定系统 6，由于其严重非线性和高阶次，必须施加十分强有力的控制手段才能使之稳定 。 因此，倒立摆控制已经成为自动控制领域中的一个十分经典而 又 具有挑战性的研究课题，许多新的实时控制理论都通过倒立摆试验加以验证。 从控制系统的角度来讲，两轮自平衡机器人具有很高的理论研究价值。 近年来有很多关于控制移动轮式倒立摆模型问题的研究，并将其广泛应用到自主 机器人和智能交通工具上 78。 两轮自平衡倒立摆式机器人是一种两轮左右并行布置 的自平衡系统，与其它类型的机器人相比最主要的特点 是自平衡问题，即要在各种状态下保持动态平衡。实际上 两轮 自平衡倒立摆式机器人可以理解成在计算机的控制下，通过对各种状态
16、参 数的实时分析，使系统在水平方向或垂直方向上的位移和角度 (角速度 )的偏移量控制在允许的范围内，从而使系统保持平衡。 相比于直线倒立摆，两轮自平衡机器人的底端可以自由移动，具有占地面积小和运动灵活敏捷等特点，可以 应用 在许多特殊的环境 1，如空间狭小的搜救地或拥挤的 办公环境中，也可以 用于 特殊交通工具、特殊运载工具、特殊运动器械、残疾人保障系统、紧急服务、邮件派送、个人移动工具、空间探索、战场侦察、第 1 章 绪论 -2- 危险物品运输、高科技玩具等方面 9，尤其是在载人运输领域，两轮自平衡机器人具有很大的发展潜力。现如今，它已经作为一种小范围、短距离的代步工具，应用于汽车无法通行、
17、步行不便的场合，既可以减少污染又可以解决交通堵塞问题 10。 本文将核心处理器 为 ARM Cortex-A811的 BeagleBone Black 开发板 作为嵌入式硬件系统核心控制器，并以 Linux12发行版 之一 Debian 为软件基础共同构建了自平衡机器人控制平台的开源软硬件系统。 嵌入式系统是指以应用为核心 ， 以计算机技术为基础 ， 软硬件可裁剪 ， 对功能、可靠性、成本、体积和功耗 有 严格要求的专用计算机系统 13。嵌入式系统带有 个人计算机的计算能力，经过裁剪以适应家电或者工业设备的需要 14。它 对 功耗 和 系统精简 的精简程度有着很高的要求 ，所以硬件和软件都必须
18、高效地设计在一起。嵌入式系统正如个人计算机一样快速地发展。早期的 嵌入式系统 只有 2000字节， 而 现在 的 嵌入式处理器的性能和功能已经达到了标准个人计算机的水平，具有 满足任何类型计算机需求的计算资源。 嵌入式 Linux 系统具有开源免费、可裁剪性强、功能强大等诸多优势 15。 它的 稳定性 很好 ， 而且 运行所需 的 资源少，十分适 用于 嵌入式场合。 Linux 系统是一个成熟而稳定的网络操作系统，对 ARM 具备良好支持 并 具有强大的开发支持 ，日 益成为主流的嵌入式操作系统之一。小型 但 功能强大的 Linux 系统可以基于低成本的硬件 ， 再 结合开源软件 便 构成了一
19、个探索嵌入式世界的平台。 BeagleBone Black 正是这种结合的产物。 BeagleBone Black 是一款 拥有嵌入式操作系统 的 开源硬件 16。我们可以在BeagleBone Black 官方网站上面下载 电路原理图和 PCB 图 ，了解其内部结构和原理，便于软硬件的开发。此外，由于它是开源的，大家可以任意获取并修改，以满足自己特殊的需求，不需要交纳许可费用， 并且只需要向邮件列表发送一封邮件即可在 Linux 社区中获得支持 。近年来自由开源硬件在嵌入式应用上越来越受到青睐，它的讨论社区也日趋庞大，提出的问题可以得到快速解决。 1.2 国内外研究现状 围绕两轮 自平衡 机
20、器人 进行 控制理论和控制方法研究 的 动因主要有两个，一两轮自平衡倒立摆式机器人系统设计与控制 -3- 是为了了解两轮机器人自身的运动平衡控制 问题；二是为了检验或验证某种控制理论或控制方法。围绕两轮 自平衡 机器人运动平衡控制这一核心问题的研究工作也有大量文章报道 17。 1.2.1 国外研究现状 最早提出两轮自平衡机器人构想的是日本电气通信大学的荣誉教授山藤一雄 18。他在研究单轮车平衡问题的时候萌生了两轮倒立摆小车的想法。 1986 年，他制造一种名叫“平行双轮机器人 (简称 PB Robot)”的原型机，并于 1987 年取得了一项专利。该移动机器人控制电路和驱动电路安装在机体上部，
21、利用轮上小杠杆与地面相接触检测机体的倾角。 1996 年，日本筑波大学 的 Ha 和 Yuta 为两轮自平衡机器人 Yamabico Kurara19设计了基于状态反馈的控制策略，两轮分别由电机独立驱动，用陀螺仪测量机身倾角，用编码器测量轮子的转动速度，使 Yamabico Kurara 实现了自平衡并能在平面上自由行进。 1999 年，韩国 Kim 等提出了输入输出线性化控制方法，以实现两轮机器人的位置和姿态控制。 2001 年，美国发明家 Dean Kamen 推出了划时代的个人交通工具 Segway HT (HT 意为 Human Transporter，后改为 PT，意为 Person
22、al Transporter)，并首先用于美国人员密集的机场。实际上， Dean Kamen 在 1995 年就开始秘密研制 Segway，直到 2001 年 12 月，这种高度机密的新发明才被公布出来。 2003 年 3 月 Segway正式在美国市场上市，而且自问世以来已经成为一种深受人们欢迎的个人交通工具。 Segway 独特的动态稳定技术与人体的平衡能力相似， 5 个固态陀螺仪、倾斜传感器、高速微处理器和电动机 以 每秒 100 次 的速度 监测车体姿态，测出驾驶者的重心， 能够 瞬间完成计算， 并 以每秒 20000 次的频率进行细微调整，不管什么状态和地形都能自动保持平衡 。它的运
23、动也和人保持平衡的本能反应相同，没有刹车和油门身体前倾则向前运动，后倾则后退，直立则停下，转向则通过旋转两个手腕下方的操纵把手来完成。 2002 年，瑞士联邦工学院的 Aldo Darrigo 等人也研制出了类似 Segway 的一种无线控制的两轮式 自平衡 倒立摆机器人并具有行走功能，名字叫做 Joe2021。第 1 章 绪论 -4- Joe 身高 650mm，重 12kg，最大运动速度可以达到 1.5m/s。它用一个 DSP 实现控制，一个电源放大器给电机供电，用传感器检测机器人的状态。 Joe 解耦 状态空间控制器分解 运动并简化控制 过程 ，能进 行 U 形回转和零半径回转，其机动性达
24、到前所未有的水平。 2002 年 ， 美国 Southern Methodist 大学的 David 研制出两轮移动机器人nBot22。该机器人采用 集成了 一个陀螺仪和两个加速度计的组合传感器 FAS-G 来测量机器人的位姿，通过维纳滤波器进行数据融合。 nBot 不仅可以进行零半径回转，还可以在运动过程中碰到障碍物后自主选择路线绕过障碍物继续运动，实现了在室内、室外 、 平坦路面、崎岖路面等环境下的运动。 2004 年， Homebrew 机器人俱乐部的孔 Ted Larson 和 Bob Allen 制作了 的两轮移动机器人 Bender，该机器人由三层板构成 ， 重心竖直靠上，顶层安装
25、了一个摄像头使其具备自主移动的能力。由于其平衡 能力 表现很出色，获得了第一届年度 Rob Olympics“ Best of Show”类金奖。 2006 年，美国的 Dan Piponi 设计了两轮自平衡机器人 Equibot，被 称为 迷你版美国 Segway。但它只适合在平坦地面上运动，若地面出现凹凸或者爬坡等特殊情况，机器人可能发生跌倒，无法正常运动。 2008 年，美国 Tiger 电子公司和日本 Sega 玩具公司共同推出了名为 AMP 的两轮机器人。 AMP 身高 90cm，采用独家的陀螺仪技术，配备有声纳米和红外传感器，在跟踪模式下能追随人运动， 还能 播放音乐 和 跳舞。
26、1.2.2 国内研究情况 近年来国内也 掀起了 研制两轮 自平衡 机器人 的热潮 。 2003 年，中国科学技术大学自动化系与力学和机械工程系联合研发了自平衡两轮电动车，并具有自主知识产权。由于该项目 有很好 的实用性、新颖性，并且有很大的产业化空间和诱人的市场前景，实验样机在第二届和第三届中国合肥高新技术项目资本对接会上受到广泛关注。该产品还参加了第八届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛， 荣 获三等奖。 2004 年， 中国科学技术大学 段旭东等模仿机器人 Joe 设计了二轮小车倒立摆系统，并针对系统建模过程中可能出现的不确定性以及噪声问题进行了研究。 两轮自平衡倒立摆式机器人系统设
27、计与控制 -5- 2004 年，北京理工大学的李航、河南科技大学的韩建海和赵书尚等对两轮机器人进行建模，并在此基础上研制出带有安全轮的平行双轮电动车。 他们 使用Lagrange 方程 23建立了具有三自由度的数学模型，通过闭环状态反馈进行极点配置，对机器人进行仿真。 2005 年，西安电子 科技 大学叶聪红等研制出带有两个随动轮的两轮驱动小车。小车 根据 已知 的 环境信息实现期望的路径规划。速度反馈和位置 反馈使小车抗干扰能力有所提高。 2005 年 ， 哈尔滨工程大学的尹亮制作了一部 双轮直立的 两轮自平衡机器人 ，名字叫做 Sway。此机器人的主控芯片是 8051 单片机；加速度计和反
28、射式红外线距离传感器测量车体倾斜角度，这样提高了检测精度；机器人与上位机之间通过MODEM 进行数据通讯； LCD 显示作为人机交互界面；用完全隔离的电源供电以减少干扰。 2010 年，中国台湾 Tsai等采用人工神经网络为两轮 自平衡 机器人构造了自适应控制器。 1.3 论文的研究内容 在查阅了两轮自平衡倒立摆式机器人相关文献的基础上，分析了机器人控制原 理及其运动控制的特性，设计出以开源硬件 BeagleBone Black 开发板为核心 的数字式运动控制器。本文采用 鲁棒性很好的 PID 控制算法设计运动控制器，然后将运动控制器应用到机器人上进行实际控制。根据本课题的研究内容，论文主要分为以下四章内容，每章具体内容如下： 第一章 ：绪论。主要介绍本课题的研究背景及意义、国内外的研究现状 并且概述本课题的主要研究内容。 第二章 ：硬件设计 与实现 。根据系统的功能需求对硬件进行调查并筛选，确定硬件选型，提出两轮自平衡倒立摆式机器人系统的设计方案，完成 机器人 控制系统的硬件设计。主要工作是根据 各个模块的工作原理及特性进行原理图 和 PCB电路板 的设计 。 第三章 ：模型建立与仿真。针对两轮自平衡倒立摆式机器人系统，利用牛顿力学定律得到系统的动态模型， 针 对模型设计双闭环 PID 控制器，并在 Matlab
