單球輪移動(dòng)機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)XXG20128259

XX副教授工程碩士單接觸點(diǎn)多自由度以球體為驅(qū)動(dòng)輪全方位移動(dòng)CONCEPT球上自平衡機(jī)器人對(duì)比普通輪式機(jī)器人占地面積小全方向移動(dòng)人機(jī)交互更靈活對(duì)于科研本身多變量強(qiáng)耦合非線性RESEARCHMEANING理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)課題內(nèi)容主體步進(jìn)電機(jī)全向輪驅(qū)動(dòng)球機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制器硬件設(shè)計(jì)主體姿態(tài)解算控制算法研究系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)單球輪移動(dòng)機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單球輪移動(dòng)機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)Y

X電機(jī)1電機(jī)2電機(jī)3

底盤步進(jìn)電機(jī)萬(wàn)向輪α=120°β=45°底盤孔洞中心對(duì)稱，重心過球心結(jié)構(gòu)分層，便于放置硬件步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器機(jī)器人控制器萬(wàn)向輪塑料底盤

機(jī)器人控制板步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器PVB塑料板QL萬(wàn)向輪步進(jìn)電機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)單球輪移動(dòng)機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)機(jī)器人供電姿態(tài)信息采集步進(jìn)電機(jī)控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與上位機(jī)通訊供電供電RS232接口RS232接口I2C接口三軸角速度數(shù)據(jù)三軸加速度數(shù)據(jù)PWM脈沖微控制器（MCU）

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)機(jī)器人本體六軸姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)TF卡姿態(tài)顯示上位機(jī)WIFI模塊

控制調(diào)試上位機(jī)

電壓變換

36V供電電壓SDIO接口姿態(tài)檢測(cè)模塊步進(jìn)電機(jī)控制電路內(nèi)存卡電源電路STM32WIFI模塊USB主體姿態(tài)解算單球輪移動(dòng)機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)數(shù)據(jù)處理陀螺儀數(shù)據(jù)處理姿態(tài)角度融合測(cè)量主體偏移平衡位置的角度測(cè)量主體空間移動(dòng)的角速度橫滾角俯仰角加速度模參數(shù)加速度計(jì)陀螺儀低通/均值濾波卡爾曼/均值濾波姿態(tài)解算四元數(shù)/歐拉角互補(bǔ)濾波主體姿態(tài)解算單球輪移動(dòng)機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)數(shù)據(jù)處理受到電機(jī)振動(dòng)干擾的加速度計(jì)X軸原始數(shù)據(jù)曲線切比雪夫I型濾波器濾波后的X軸數(shù)據(jù)曲線切比雪夫I型低通濾波器階數(shù)：n=3通帶允許最大衰減αp=1dB阻帶最小衰減αs=30dB通帶截止頻率約為ωp=5Hz阻帶下限截止頻率約為ωs=15Hz濾波器幅頻特性曲線主體姿態(tài)解算單球輪移動(dòng)機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)陀螺儀數(shù)據(jù)處理均值濾波器開啟電機(jī)并運(yùn)動(dòng)時(shí)，繞X軸旋轉(zhuǎn)角速度原始數(shù)據(jù)曲線開啟電機(jī)并運(yùn)動(dòng)時(shí)，繞X軸旋轉(zhuǎn)角速度經(jīng)均值濾波后數(shù)據(jù)曲線主體姿態(tài)解算單球輪移動(dòng)機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)姿態(tài)融合互補(bǔ)濾波自適應(yīng)參數(shù)其中互補(bǔ)濾波生成橫滾角曲線控制算法研究單球輪移動(dòng)機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)使用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，力矩控制困難系統(tǒng)模型復(fù)雜，建模工作量大模糊PD算法控制算法研究單球輪移動(dòng)機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)屬性實(shí)際范圍論域范圍量化/比例因子輸入角度[-5°,

+5°][-6,-5,…,5,6]1.2輸入角速度[-0.5rad/s,+0.5rad/s][-6,-5,…,5,6]12輸出Kp[0,20][0,1,2,…,6]10/3輸出Kd[0,5][0,1,2,…,6]5/6輸入量E的隸屬度函數(shù)曲線Kp與輸入量E、EC的關(guān)系圖Kd與輸入量E、EC的關(guān)系圖系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)單球輪移動(dòng)機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)屬性開發(fā)工具：KeiluVision3.0開發(fā)語(yǔ)言：C語(yǔ)言系統(tǒng)時(shí)鐘周期：1.672ms軟件組成系統(tǒng)初始化接口通訊程序姿態(tài)數(shù)據(jù)處理程序運(yùn)動(dòng)控制程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序5V電源3.3V電源36V電源WIFI電源硬件上電測(cè)試姿態(tài)解算測(cè)試電機(jī)驅(qū)動(dòng)測(cè)試WIFI通訊測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試單球輪移動(dòng)機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)機(jī)器人平衡測(cè)試單球輪移動(dòng)機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)CONCLUSION結(jié)論以STM32為控制核心，傳感器MPU6050為檢測(cè)裝置，步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)裝置，模糊PD算法進(jìn)行控制，能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)單球輪移動(dòng)機(jī)器人的平衡控制；問題傳感器濾波、融合算法需要改進(jìn)；模糊PD算法需要進(jìn)一步優(yōu)