二輪自平衡機(jī)器人開(kāi)源設(shè)計(jì)

描述

我重新設(shè)計(jì)了機(jī)器人。硬件沒(méi)有改變，但軟件已經(jīng)重新設(shè)計(jì)。

在舊版本中，每個(gè)電機(jī)都有一個(gè)單獨(dú)的 PID 控制器。

為了使機(jī)器人向右或向左移動(dòng)，PID 控制器的設(shè)定點(diǎn)被分配了適當(dāng)?shù)闹怠?/p>

如果機(jī)器人之后再次直行，則必須人為抵消由此產(chǎn)生的步數(shù)差異，這有時(shí)會(huì)導(dǎo)致一些麻煩。

現(xiàn)在機(jī)器人只有一個(gè) PID 控制器用于兩個(gè)電機(jī)。這足以讓機(jī)器人保持直立。要向前或向后移動(dòng)，只需將設(shè)定值更改為適當(dāng)?shù)闹怠?/p>

第二個(gè)級(jí)聯(lián) PID 控制器確保機(jī)器人保持其到達(dá)的位置。

為了讓機(jī)器人向右或向左移動(dòng)，在沒(méi)有輸入到 PID 控制器的情況下，兩個(gè)帶相反符號(hào)的電機(jī)的步數(shù)都增加了。

現(xiàn)在我對(duì)機(jī)器人的行為很滿意。

進(jìn)一步項(xiàng)目手勢(shì)控制機(jī)器人

原則

雙輪自平衡機(jī)器人代表一個(gè)機(jī)器人平臺(tái)，有兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的輪子，重心在輪子旋轉(zhuǎn)軸上方。機(jī)器人的行為類似于倒立擺的經(jīng)典機(jī)械系統(tǒng)。

機(jī)器人特點(diǎn)

使用藍(lán)牙通過(guò)操縱桿控制機(jī)器人

步進(jìn)電機(jī)，單極/雙極，200 步/轉(zhuǎn)，42×48mm，4V，1.2A/相

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器載體可以連續(xù)提供每相高達(dá) 1.5 A 的電流，四種不同的步進(jìn)分辨率：全步、半步、1/4 步和 1/8 步。

用于電機(jī)和位置的級(jí)聯(lián) PID 控制器

通過(guò)中斷的任務(wù)分配器

脈寬調(diào)制控制器

帶加速度計(jì)和陀螺儀的 MPU-6050 傳感器，使用帶 MPU-6050 的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理

通過(guò) Twiddle 算法自動(dòng)調(diào)整

電池控制

面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)

限制

僅在 Arduino Due 運(yùn)行

步進(jìn)電機(jī)

我決定使用 Stepper 引擎，因?yàn)樗鼈兙哂幸韵聝?yōu)勢(shì)：

定位準(zhǔn)確，無(wú)累積誤差

靜止位置保持力矩

無(wú)因電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量引起的減速/滯后

通過(guò)計(jì)算 PWM 信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的位置感測(cè)

MPU-6050加速度計(jì)+陀螺儀

MPU-6050 傳感器在單個(gè)芯片中包含一個(gè) MEMS 加速度計(jì)和一個(gè) MEMS 陀螺儀。它非常準(zhǔn)確，因?yàn)樗糜诿總€(gè)通道的 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換硬件。它同時(shí)捕獲 x、y 和 z 通道。傳感器使用 I2C 總線與 Arduino 連接。

我使用帶有 MPU-6050 傳感器的 DigitalMotion Processing，直接在芯片上進(jìn)行快速計(jì)算。這減少了 Arduino 的負(fù)載。

https://playground.arduino.cc/Main/MPU-6050

由于我的板的方向，我使用了根據(jù)來(lái)自 FIFO 的四元數(shù)計(jì)算的偏航/俯仰/滾動(dòng)角度（以度為單位）。通過(guò)閱讀歐拉角，我遇到了萬(wàn)向節(jié)鎖的問(wèn)題。

MP6500步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器載體

使用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可讓您以每相高達(dá)約 1.5 A 的電流連續(xù)控制一個(gè)雙極步進(jìn)電機(jī)，無(wú)需散熱器或強(qiáng)制氣流（數(shù)據(jù)表）。

級(jí)聯(lián)PID控制器

機(jī)器人由級(jí)聯(lián) PID 控制器控制。電機(jī)控制器確保機(jī)器人保持直立。位置控制器確保機(jī)器人保持其正確的設(shè)定點(diǎn)規(guī)定位置。

級(jí)聯(lián)控制是多個(gè)控制器級(jí)聯(lián)；相關(guān)的控制循環(huán)相互嵌套。一個(gè)控制器（主控制器、位置）的控制器輸出變量用作另一個(gè)（從控制器、電機(jī)）的參考變量。

標(biāo)準(zhǔn) PIDalgorithm 在較長(zhǎng)的測(cè)試系列后略有修改。向 P 分量添加參數(shù) Kx 乘以 I 分量。

在此更改之前，機(jī)器人總是想逃跑。I 部分的簡(jiǎn)單增加使機(jī)器人不穩(wěn)定。這個(gè)解決方案當(dāng)然在很大程度上取決于機(jī)器人的結(jié)構(gòu)（重量、重心等）。

PID控制器

PID控制器

PWM控制器

為了生成 PWM 信號(hào)，我修改了“randomvibe”庫(kù)。( https://github.com/cloud-rocket/DuePWM )。PWM 控制器在 DuePWMmod 類中實(shí)現(xiàn)。通過(guò) PWM Clock-A (“CLKA”) 設(shè)置的獨(dú)特頻率) 和時(shí)鐘 B ("CLKB")。

任務(wù)調(diào)度

任務(wù)派發(fā)：

機(jī)器人

液晶顯示器

繪圖儀

是在 Ivan Seidel 的定時(shí)器庫(kù)的幫助下完成的。（https://github.com/ivanseidel/DueTimer感謝）生成三個(gè)具有相應(yīng)時(shí)間的中斷來(lái)調(diào)用任務(wù)。

軟件架構(gòu)

機(jī)器人由主程序SBRobotDue02和以下類組成：

控制

電池

由于PWMmod

到期計(jì)時(shí)器

玩轉(zhuǎn)

發(fā)動(dòng)機(jī)

車輛

我的MPU

以及以下內(nèi)容：

配置

液晶顯示器

Pid參數(shù)

繪圖儀

該體系結(jié)構(gòu)顯示在以下 UML 圖中：

操縱桿

Funduino Joystick Shield V1.A 用于全方位控制機(jī)器人。盾牌使用的是 Arduino Mega。來(lái)自屏蔽的數(shù)據(jù)是通過(guò)藍(lán)牙連接上的串行事件接收的。JoyStickSlave01 草圖會(huì)在發(fā)生變化時(shí)立即向機(jī)器人發(fā)送數(shù)據(jù)。

使用 Twiddle 進(jìn)行 PIDauto 整定

Twiddle 是一種算法，它試圖為算法找到一個(gè)好的參數(shù)選擇。也稱為爬山，它類似于登山者在濃霧中尋找山頂，并引導(dǎo)他的腳步盡可能陡峭地上坡。如果只向四面八方下降，他就到達(dá)了頂峰。Twiddle算法用于PID參數(shù)的自動(dòng)整定。首先，可以通過(guò)使用電位計(jì)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整來(lái)測(cè)試參數(shù)。