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独轮机器人——控制系统设计 .docx
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独轮机器人——控制系统设计 .docx
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I
摘 要
独轮机器人具有非线性、强耦合的复杂动力学系统。是控制理论和动力学研究的一
大挑战,是一个非常好的研究模型。本文将设计一款独轮机器人,侧重分析独轮机器人
的运动,并建立动力学模型以及编写控制程序。
本文通过对独轮机器人的工作原理进行分析,为独轮机器人挑选合适的电子元件。
本文选择 mpu9250 电子陀螺仪捕获独轮机器人运动姿态;GA12-N20 电机为独轮机器人提
供驱动力;电机驱动使用 L298N 电机驱动模块;两节 18650 电池供电;arduino uno 板
作为独轮机器人的核心控制器。
为解决电子陀螺仪的数据带有偏差和噪声的问题,本文对数据进行修正处理,受电
容的滤波特性的启发,设计滤波算法。本文从电容滤波电路切入,进行分析,对电容进
行数学建模。针对计算机处理数据的特点,本文对模型进行离散化处理,并使用递推公
式取代求和公式。本文使用 MATLAB 软件对电容滤波算法进行了初步的检验分析,并使
用 arduino 实物进行实践验证。由实验结果可知该算法能有效滤除信号的噪声。为使数
据更有可读性,更便于数据分析。本文对数据进行相应的处理,从而获得了角速度、角
加速度、角度三个物理量。
独轮机器人的动力学系统具有多变量强耦合的特点,为使设计简单。本文对独轮机
器人的倾倒过程拆解成前后倾倒与左右倾倒的组合。对每个轴向的倾倒运动独立分析、
建立动力学模型,并对控制系统进行设计与仿真。在左右倾倒控制的设计中,通过分析
倾倒过程中受到的力的变化、角度的变化、角速度的变化,得到了 PD 控制系统。但在
左右倾倒仿真中发现,该控制系统不能区分出独轮机器人的倾倒和回摆的区别。
为解决控制系统无法识别回摆与倾倒的区别的问题,本文对倾倒过程再度分析。在
原控制系统上加入了积分项,也就是角度参数。角度参数可以使得控制系统清楚独轮机
器人需要恢复到何位置。本文再次对控制系统进行了检验,发现此时的控制系统已经能
够区分回摆和倾倒,并能够使得独轮机器人经过几次抖动后便恢复到直立状态。
有了左右倾倒的控制经验,前后倾倒的控制系统直接采用了角度、角速度、角加速
度三组数据同时控制。由于前后倾倒会导致有位移发生,文中使用的仿真程序,加入了
动画,可实时查看独轮机器人的姿态。从仿真的数据曲线可以看出,所设计的 PID 控制
系统完全可以满足独轮机器人站立的控制需求。
本文为使独轮机器人更具特色,所以对独轮机器人进行了润色。本文为独轮机器人
设计了无线充电装置。初期制作了特斯拉线圈进行无线充电,实践中发现特斯拉线圈能
放电的特点存在很大危险性,故改使用线圈式的无线充电装置。文中对线圈式无线充电
进行了实际检测,由测试的数据得知,本文制作的线圈式无线充电装置功率足够独轮机
器人使用。
关键词:独轮机器人,滤波算法,无线充电,特斯拉线圈,PID 控制算法,动力学建模
II
Abstract
The one-wheeled robot has a nonlinear and strongly coupled complex dynamic system. It
is a great challenge to control theory and dynamics research, and it is a very good research
model. This paper will design a one-wheeled robot, focusing on the analysis of the movement
of the one-wheeled robot, and establish a dynamic model and write a control program.
This paper analyzes the working principle of the one-wheel robot and selects the
appropriate electronic components for the one-wheel robot. In this paper, the mpu9250
electronic gyroscope is selected to capture the motion posture of the one-wheel robot. The
GA12-N20 motor provides the driving force for the one-wheeled robot. L298N motor drive
module is used for motor drive. Two 18650 batteries powered; Arduino uno board is used as
the controller of one-wheel robot.
In order to solve the problem of deviation and noise in the data of the electronic gyroscope,
this paper corrected the data and designed a filtering algorithm inspired by the filtering
characteristics of the capacitance. In this paper, from the capacitor filter circuit, analysis,
capacitance mathematical modeling. According to the characteristics of computer data
processing, this paper discretizes the model and uses the recursive formula to replace the
summation formula. In this paper, the capacitance filtering algorithm was preliminarily tested
and analyzed with MATLAB software, and the actual arduino was used for practical
verification. The experimental results show that the algorithm can effectively filter the noise of
the signal. In order to make the data more readable, more convenient for data analysis. In this
paper, the corresponding data processing, so as to obtain the angular velocity, angular
acceleration, Angle three physical quantities.
The dynamic system of one-wheeled robot is characterized by strong coupling of multiple
variables, which makes the design simple. In this paper, the dumping process of one-wheel
robot is disassembled into a combination of front and back dumping and left and right dumping.
The dumping motion of each axis is analyzed independently, the dynamic model is established,
and the control system is designed and simulated. In the design of left-right dumping control,
the PD control system is obtained by analyzing the change of force, Angle and angular velocity
in the process of dumping. However, in the simulation of left and right dumping, the control
system could not distinguish the dumping and backswing of the one-wheeled robot.
In order to solve the problem that the control system cannot recognize the difference
between backswing and dumping, this paper analyzes the dumping process again. The integral
term, which is the Angle parameter, is added to the original control system. The Angle
parameter allows the control system to know where the one-wheeled robot needs to be restored.
In this paper, the control system has been tested again, and it is found that the control system
has been able to distinguish back swing from toppling, and can make the one-wheeled robot
return to the upright state after several wobbles.
With the control experience of right and left toppling, the control system of front and back
toppling directly adopts the simultaneous control of three sets of data including Angle, angular
velocity and angular acceleration. As the forward and backward dumping will lead to
displacement, the simulation program used in this paper is animated to view the posture of the
one-wheeled robot in real time. It can be seen from the simulation data curve that the designed
III
PID control system can completely meet the control requirements of standing one-wheeled
robot.
In order to make the one-wheel robot more characteristic, this paper has embellished the
one-wheel robot. This paper designs a wireless charging device for a one-wheel robot. At the
initial stage, tesla coil was made for wireless charging. In practice, it was found that tesla coil
could discharge in a very dangerous way, so a wireless charging device of coil type was used
instead. In this paper, the coil wireless charging device is tested in practice. According to the
test data, the coil wireless charging device made in this paper is powerful enough for the one-
wheel robot to use.
Keywords: one-wheel robot, filtering algorithm, wireless charging, tesla coil, PID control
algorithm, dynamics modeling
IV
目 录
1 引言 ...............................................................................1
1.1 研究意义.......................................................................1
1.2 国内外研究现状.................................................................1
2 原理分析 ...........................................................................4
3 电路元器件选型 .....................................................................5
3.1 传感器.........................................................................5
3.2 电机...........................................................................6
3.3 电机驱动.......................................................................7
3.4 电池...........................................................................8
3.5 控制器.........................................................................9
4 控制系统设计 ......................................................................12
4.1 mpu9250 数据修正处理 ..........................................................12
4.2 mpu9250 数据滤波处理 ..........................................................12
4.2.1 建立滤波模型..............................................................13
4.2.2 算法效果测试..............................................................14
4.2.3 实际的滤波分析............................................................17
4.3 数据物理意义化................................................................18
4.4 独轮机器人左右倾倒 PID 控制....................................................19
4.4.1 左右倾倒动力学建模........................................................20
4.4.2 左右倾倒的控制系统建立与仿真分析..........................................21
4.5 独轮机器人前后倾倒 PID 控制....................................................23
4.5.1 前后倾倒动力学建模........................................................23
4.5.2 前后倾倒的控制系统建立与仿真分析..........................................24
5 润色功能 ..........................................................................26
5.1 无线充电介绍与原理分析........................................................26
5.2 一代无线充电实物制作..........................................................26
5.3 二代无线充电实物制作..........................................................28
5.4 无线充电实测..................................................................29
6 总结 ..............................................................................31
参考文献 ............................................................................32
谢 辞 ...............................................................................33
附 录 ...............................................................................34
1
1 引言
在科技发达的今天,机器人已经不再是什么陌生的名词。简单的有我们家中常用的
扫地机器人,复杂的有工业生产中的机械臂。机器人已经走进了人们的生活,服务的领
域包括餐饮、教育、军事、娱乐、农业、工业制造等等。自 2013 年以来,我国便连续
五年工业机器人需求市场全球最大,机器人销量和市场增速稳居世界前列。可见我国机
器人市场大,发展迅猛。
回顾机器人的发展史,机器人从低级到高级,可分为三个阶段。第一阶段为程序控
制机器人,机器人只能按照预先编好的程序一步一步地进行工作;第二阶段为自适应机
器人,其特点是配备有相应的传感器,能够从周围环境获取信息,并做出相应的动作;
第三阶段的机器人相比较第二阶段的机器人,第三阶段机器人具有思维能力,表现更为
智能。
在机器人当中可移动的机器人具有很强的适应能力,可以搭载上其他的功能设备。
可移动机器人中有很多很多种,陆地机器人中有足式、轮式。海上机器人有螺旋桨式推
进、有仿生的尾鳍推进。天上的有固定翼和多旋翼。
独轮机器人是轮式机器人中特殊的一种。独轮机器人的特点是仅有一个轮子着地,
所以其自由度较大,稳定性较差。但独轮机器人有其他轮式机器人不具备的优势,独轮
机器人占地面积小、体积小、运动灵活、可零半径旋转。
1.1 研究意义
独轮机器人具有很大的自由度,他具有一个多变量、强耦合、非线性的复杂动力学
系统。其站立时与运动时都具有很强的不稳定性,是控制工程一大挑战,是一个很好的
研究模型。对独轮机器人的研究可以促进控制理论与动力学的发展
[1]
。其次,独轮机器
人能更好地服务于人员较多的地方。因独轮机器人的动作容易被人所预测,我们能较轻
松地预测出独轮机器人将要运动的方向以及运动速度。独轮机器人的运动相比较其他的
机器人有些许特殊。因为一个轮着地的原因,在其运动时需要先发生小角度的倾斜。这
个动作能很容易被观测到,在独轮机器人附近的人便可通过此变化预测出独轮机器人的
运动。其他轮式机器人运动显得像突然发生的,没有征兆,难以预知。对人而言,像独
轮机器人这样的机器人在发生运动时,显得更平缓,更舒适。
1.2 国内外研究现状
2008 年日本村田制作所推出了一款博人眼球的独轮机器人——村田女孩(Murata
Girl)
[2]
。村田女孩结构由轮子踏板、机器人腿部结构以及封闭在内的惯性飞轮组成。
通过陀螺仪进行检测倾斜。该独轮机器人高五十厘米,重五千克,移动速度约五厘米每
秒。图 1.1 是村田女孩的实物图。
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南抖北快东卫
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