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二轮自平衡机器人开源设计

消耗积分:2 | 格式:zip | 大小:0.53 MB | 2023-06-12

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描述

我重新设计了机器人。硬件没有改变，但软件已经重新设计。

在旧版本中，每个电机都有一个单独的 PID 控制器。

为了使机器人向右或向左移动，PID 控制器的设定点被分配了适当的值。

如果机器人之后再次直行，则必须人为抵消由此产生的步数差异，这有时会导致一些麻烦。

现在机器人只有一个 PID 控制器用于两个电机。这足以让机器人保持直立。要向前或向后移动，只需将设定值更改为适当的值。

第二个级联 PID 控制器确保机器人保持其到达的位置。

为了让机器人向右或向左移动，在没有输入到 PID 控制器的情况下，两个带相反符号的电机的步数都增加了。

现在我对机器人的行为很满意。

进一步项目手势控制机器人

原则

双轮自平衡机器人代表一个机器人平台，有两个独立驱动的轮子，重心在轮子旋转轴上方。机器人的行为类似于倒立摆的经典机械系统。

机器人特点

使用蓝牙通过操纵杆控制机器人

步进电机，单极/双极，200 步/转，42×48mm，4V，1.2A/相

步进电机驱动器载体可以连续提供每相高达 1.5 A 的电流，四种不同的步进分辨率：全步、半步、1/4 步和 1/8 步。

用于电机和位置的级联 PID 控制器

通过中断的任务分配器

脉宽调制控制器

带加速度计和陀螺仪的 MPU-6050 传感器，使用带 MPU-6050 的数字运动处理

通过 Twiddle 算法自动调整

电池控制

面向对象的软件设计

限制

仅在 Arduino Due 运行

步进电机

我决定使用 Stepper 引擎，因为它们具有以下优势：

定位准确，无累积误差

静止位置保持力矩

无因电机转动惯量引起的减速/滞后

通过计算 PWM 信号进行简单的位置感测

MPU-6050加速度计+陀螺仪

MPU-6050 传感器在单个芯片中包含一个 MEMS 加速度计和一个 MEMS 陀螺仪。它非常准确，因为它包含用于每个通道的 16 位模数转换硬件。它同时捕获 x、y 和 z 通道。传感器使用 I2C 总线与 Arduino 连接。

我使用带有 MPU-6050 传感器的 DigitalMotion Processing，直接在芯片上进行快速计算。这减少了 Arduino 的负载。

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

由于我的板的方向，我使用了根据来自 FIFO 的四元数计算的偏航/俯仰/滚动角度（以度为单位）。通过阅读欧拉角，我遇到了万向节锁的问题。

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MP6500步进电机驱动器载体

使用的步进电机驱动器可让您以每相高达约 1.5 A 的电流连续控制一个双极步进电机，无需散热器或强制气流（数据表）。

级联PID控制器

机器人由级联 PID 控制器控制。电机控制器确保机器人保持直立。位置控制器确保机器人保持其正确的设定点规定位置。

级联控制是多个控制器级联；相关的控制循环相互嵌套。一个控制器（主控制器、位置）的控制器输出变量用作另一个（从控制器、电机）的参考变量。

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标准 PIDalgorithm 在较长的测试系列后略有修改。向 P 分量添加参数 Kx 乘以 I 分量。

在此更改之前，机器人总是想逃跑。I 部分的简单增加使机器人不稳定。这个解决方案当然在很大程度上取决于机器人的结构（重量、重心等）。

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PID控制器

pYYBAGSBqgOAEOSVAADnHPe6Tb8265.png

PID控制器

PWM控制器

为了生成 PWM 信号，我修改了“randomvibe”库。( https://github.com/cloud-rocket/DuePWM )。PWM 控制器在 DuePWMmod 类中实现。通过 PWM Clock-A (“CLKA”) 设置的独特频率) 和时钟 B ("CLKB")。

任务调度

任务派发：

机器人

液晶显示器

绘图仪

是在 Ivan Seidel 的定时器库的帮助下完成的。（https://github.com/ivanseidel/DueTimer感谢）生成三个具有相应时间的中断来调用任务。

软件架构

机器人由主程序SBRobotDue02和以下类组成：

控制

电池

由于PWMmod

到期计时器

玩转

发动机

车辆

我的MPU

以及以下内容：

配置

液晶显示器

Pid参数

绘图仪

该体系结构显示在以下 UML 图中：

poYBAGSBqgaASp3-AACN_17fX00857.png

操纵杆

Funduino Joystick Shield V1.A 用于全方位控制机器人。盾牌使用的是 Arduino Mega。来自屏蔽的数据是通过蓝牙连接上的串行事件接收的。JoyStickSlave01 草图会在发生变化时立即向机器人发送数据。

pYYBAGSBqgqAYDXjAAC4nMYTe-w123.png

使用 Twiddle 进行 PIDauto 整定

Twiddle 是一种算法，它试图为算法找到一个好的参数选择。也称为爬山，它类似于登山者在浓雾中寻找山顶，并引导他的脚步尽可能陡峭地上坡。如果只向四面八方下降，他就到达了顶峰。Twiddle算法用于PID参数的自动整定。首先，可以通过使用电位计进行手动调整来测试参数。

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