一种两轮自平衡移动机器人控制系统论文和设计

全文摘要

本实用新型公开了一种两轮自平衡移动机器人控制系统，包括有安装在两轮自平衡移动机器人内部的主控芯片以及与主控芯片连接的电源、速度测量传感器、轨道循迹传感器、参数调整模块和电机驱动模块，还包括有安装在两轮自平衡移动机器人底部的与主控芯片连接的倾角测量传感器和安装在两轮自平衡移动机器人上的与主控芯片连接的显示模块和蓝牙信息接收采集模块，倾角测量传感器包括有加速度计和陀螺仪，加速度计和陀螺仪采集的数据通过数据融合单元发送给主控芯片，所述的轨道循迹传感器是由工字型电感构成的，所述的电机驱动模块还与两轮自平衡移动机器人内部的驱动电机连接。本实用新型采用多传感器的信息融合，可以得到更加准确的测量数据。

主设计要求

1.一种两轮自平衡移动机器人控制系统，其特征在于：包括有安装在两轮自平衡移动机器人内部的主控芯片以及与主控芯片连接的电源、速度测量传感器、轨道循迹传感器、参数调整模块和电机驱动模块，还包括有安装在两轮自平衡移动机器人底部的与主控芯片连接的倾角测量传感器和安装在两轮自平衡移动机器人上的与主控芯片连接的显示模块和蓝牙信息接收采集模块，所述的倾角测量传感器包括有加速度计和陀螺仪，加速度计和陀螺仪采集的数据通过数据融合单元发送给主控芯片，所述的轨道循迹传感器是由工字型电感构成的，所述的电机驱动模块还与两轮自平衡移动机器人内部的驱动电机连接。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种两轮自平衡移动机器人控制系统，其特征在于：所述的主控芯片采用S9KEA128AMLK芯片。

3.根据权利要求1所述的一种两轮自平衡移动机器人控制系统，其特征在于：所述的加速度计的型号为MMA845X；所述的陀螺仪的型号为L3G4200。

4.根据权利要求1所述的一种两轮自平衡移动机器人控制系统，其特征在于：所述的速度测量传感器采用mini512线编码器。

5.根据权利要求1所述的一种两轮自平衡移动机器人控制系统，其特征在于：所述的电机驱动模块是采用MOS管搭建的全桥驱动。

6.根据权利要求1所述的一种两轮自平衡移动机器人控制系统，其特征在于：所述的参数调整模块是由键盘和拨码开关构成的。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及机器人控制技术领域，尤其涉及一种两轮自平衡移动机器人控制系统。

背景技术

两轮自平衡移动机器人为典型的非完整、非线性及欠驱动控制系统，具有广泛的实际应用价值。为了实现该系统运动过程中的平衡控制，必须具有能够实时检测其姿态信息的检测系统，并将姿态信息及时传递给控制器，以实现对两轮自平衡移动机器人的准确控制。目前，用于两轮自平衡移动机器人控制的角度传感器和陀螺仪都有缺点，容易受外界的影响，造成测量的不准，影响控制精度。

实用新型内容

本实用新型目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种两轮自平衡移动机器人控制系统。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种两轮自平衡移动机器人控制系统，包括有安装在两轮自平衡移动机器人内部的主控芯片以及与主控芯片连接的电源、速度测量传感器、轨道循迹传感器、参数调整模块和电机驱动模块，还包括有安装在两轮自平衡移动机器人底部的与主控芯片连接的倾角测量传感器和安装在两轮自平衡移动机器人上的与主控芯片连接的显示模块和蓝牙信息接收采集模块，所述的倾角测量传感器包括有加速度计和陀螺仪，加速度计和陀螺仪采集的数据通过数据融合单元发送给主控芯片，所述的轨道循迹传感器是由工字型电感构成的，所述的电机驱动模块还与两轮自平衡移动机器人内部的驱动电机连接。

所述的主控芯片采用S9KEA128AMLK芯片。

所述的加速度计的型号为MMA845X；所述的陀螺仪的型号为L3G4200。

所述的速度测量传感器采用mini512线编码器。

所述的电机驱动模块是采用MOS管搭建的全桥驱动。

所述的参数调整模块是由键盘和拨码开关构成的。

所述的倾角测量传感器由安装在两轮自平衡移动机器人底部的加速度计和陀螺仪构成，加速度计和陀螺仪所采集的数据经数据融合单元的处理，从而获得更加准确的采集数据；所述的轨道循迹传感器由电感构成，通过对通电导线周边所产生磁场的采集，算出中线使两轮自平衡移动机器人沿着中线运动；所述的速度测量传感器采用mini512线编码器实现，用于采集两轮自平衡移动机器人的运动速度信息；所述的蓝牙信息接收模块，用于将主控芯片接收的信息发送给上位机，同时上位机也可以发送两轮自平衡移动机器人的控制命令到主控芯片；所述的电机驱动模块MOS管搭建的全桥电路构成，其输出信号用于控制两轮自平衡移动机器人驱动轮的动作；系统所述电源由7.2V锂电池构成；所述参数调整模块由键盘和拨码开个构成，主要用于对控制系统运行的PID算法的相关参数进行设定。

对于加速度计传感器容易受电机电压信号的干扰，造成测量数据毛刺太多，不利于控制。陀螺仪测量角速度，需要通过积分运算，但积分运算容易造成滞后，两者经过角度融合，各取所长得去最后的角度。

本实用新型的优点是：本实用新型采用多传感器的信息融合，可以得到更加准确的测量数据；两轮自平衡移动机器人不同与其它四轮机器人，它靠两个轮子行走，所以在机械结构方面自然要求严格一点了;首先要知道机械零点这个点;没有机械零点的机器人，意味永远无法通过加减速达到平衡状态;另外机器人的重量集中在轴的两侧，这样方便回到平衡状态，机器人的重量比较偏轻，省去了调整所需花费的动力，方便行走。

附图说明

图1为本实用新型系统构成框图。

图2为本实用新型各个模块的供电电源电路图。

图3为本实用新型的电机驱动模块电路图。

图4为本实用新型参数调整模块的电路图。

图5为本实用新型ADC数据采集口的电路图。

图6为本实用新型倾角传感器模块的电路图。

图7为本实用新型显示模块模块的电路图。

图8为本实用新型蓝牙串口模块的电路图。

图9为本实用新型速度测量模块的电路图。

具体实施方式

如图1、2所示，一种两轮自平衡移动机器人控制系统，包括有安装在两轮自平衡移动机器人内部的主控芯片1以及与主控芯片1连接的电源2、速度测量传感器4、轨道循迹传感器5、参数调整模块6和电机驱动模块9，还包括有安装在两轮自平衡移动机器人底部的与主控芯片1连接的倾角测量传感器3和安装在两轮自平衡移动机器人上的与主控芯片1连接的显示模块7和蓝牙信息接收采集模块8，所述的倾角测量传感器3包括有加速度计和陀螺仪，加速度计和陀螺仪采集的数据通过数据融合单元发送给主控芯片，所述的轨道循迹传感器5是由工字型电感构成的，所述的电机驱动模块9还与两轮自平衡移动机器人内部的驱动电机连接。

所述的主控芯片1采用S9KEA128AMLK芯片，该芯片自带12位ADC采集功能，PWM控制精确。

所述的加速度计的型号为MMA845X；所述的陀螺仪的型号为L3G4200。

所述的速度测量传感器4采用mini512线编码器。

如图3所示，所述的电机驱动模块9是采用MOS管搭建的全桥驱动，具有驱动电流更大，驱动效果好的特点。

所述的参数调整模块6是由键盘和拨码开关构成的。

所述的倾角采集模块3由安装在两轮自平衡移动机器人底部的加速度计和陀螺仪构成，加速度计和陀螺仪所采集的数据经数据融合单元的处理，从而获得更加准确的采集数据；

所述的轨道循迹传感器5由工字型电感构成，通过对通电导线周边所产生磁场的采集，算出中线使两轮自平衡移动机器人沿着中线运动；

所述的速度测量传感器4采用mini512线编码器实现，用于采集两轮自平衡移动机器人的运动速度信息；所述的蓝牙信息接收模块，用于将主控芯片接收的信息发送给上位机，同时上位机也可以发送两轮自平衡移动机器人的控制命令到主控芯片；

所述的电机驱动模块9MOS管搭建的全桥电路构成，其输出信号用于控制两轮自平衡移动机器人驱动轮的动作；

所述电源由7.2V锂电池构成；

如图4、5所示，所述参数调整模块由键盘和拨码开个构成，主要用于对控制系统运行的PID算法的相关参数进行设定。

如图5、6、7、8、9所示，分别为ADC数据采集口的电路图、倾角传感器模块的电路图、显示模块模块的电路图、蓝牙串口模块的电路图、速度测量模块的电路图。

为了得到更好的控制效果，本实用新型采用了速度--角度--角速度三级由外到内的串级控制方法，采用串级控制方案的优点有：

1）由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，缩短了控制通道，使控制作用能得到更加及时的响应。

2）使两轮自平衡移动机器人控制系统具有更好的抗干扰能力。

3）使两轮自平衡移动机器人对其负荷或者运行环境的变化具有一定的自适应能力。

对两轮自平衡移动机器人的控制具体包括三个方面的控制：

一、两轮自平衡移动机器人直立控制

利用倾角测量传感器读出数据，进行卡尔曼滤波处理得到最终的角度信息。在两轮自平衡移动机器人的直立控制中，角速度环和角度环都使用 PD 控制算法，通过该算法可以做到两轮自平衡移动机器人直立的控制要求。

二、两轮自平衡移动机器人行走控制

为了获得两轮自平衡移动机器人速度，本实用信息采用 mini512 线编码器进行速度检测，两轮自平衡移动机器人速度控制使用 PI 控制算法，采样周期设为 50ms，速度控制的输出又用于角度控制中作为角度控制的给定。

三、两轮自平衡移动机器人的方向控制

轨道循迹传感器数据的读取具体包括如下步骤：首先，利用主控芯片自带的12位ADC采集功能读取轨道循迹传感器的数据；然后，对经AD转换的数据进行加权平均，再进行冒泡排序舍去最大最小值，使数据变得更加精确；最后，将得到的两个轨道循迹传感器的数据进行求差再比上它们的和，得到两轮自平衡移动机器人运行的方向信息。方向控制算法采样PD控制算法，比例控制参数可以使得两轮自平衡移动机器人方向恢复正确位置，增加该参数，两轮自平衡移动机器人方向回复速度加快，但当比例参数P增加到一定数值之后，两轮自平衡移动机器人的方向回复过快会导致出现方向过冲现象。通过增加微分控制项可以一定程度上抑制这种方向过冲的现象的发生。

设计图

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