二輪自平衡機器人開源設計

描述

我重新設計了機器人。硬件沒有改變，但軟件已經重新設計。

在舊版本中，每個電機都有一個單獨的 PID 控制器。

為了使機器人向右或向左移動，PID 控制器的設定點被分配了適當?shù)闹怠?/p>

如果機器人之后再次直行，則必須人為抵消由此產生的步數(shù)差異，這有時會導致一些麻煩。

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

第二個級聯(lián) PID 控制器確保機器人保持其到達的位置。

為了讓機器人向右或向左移動，在沒有輸入到 PID 控制器的情況下，兩個帶相反符號的電機的步數(shù)都增加了。

現(xiàn)在我對機器人的行為很滿意。

進一步項目手勢控制機器人

原則

雙輪自平衡機器人代表一個機器人平臺，有兩個獨立驅動的輪子，重心在輪子旋轉軸上方。機器人的行為類似于倒立擺的經典機械系統(tǒng)。

機器人特點

使用藍牙通過操縱桿控制機器人

步進電機，單極/雙極，200 步/轉，42×48mm，4V，1.2A/相

步進電機驅動器載體可以連續(xù)提供每相高達 1.5 A 的電流，四種不同的步進分辨率：全步、半步、1/4 步和 1/8 步。

用于電機和位置的級聯(lián) PID 控制器

通過中斷的任務分配器

脈寬調制控制器

帶加速度計和陀螺儀的 MPU-6050 傳感器，使用帶 MPU-6050 的數(shù)字運動處理

通過 Twiddle 算法自動調整

電池控制

面向對象的軟件設計

限制

僅在 Arduino Due 運行

步進電機

我決定使用 Stepper 引擎，因為它們具有以下優(yōu)勢：

定位準確，無累積誤差

靜止位置保持力矩

無因電機轉動慣量引起的減速/滯后

通過計算 PWM 信號進行簡單的位置感測

MPU-6050加速度計+陀螺儀

MPU-6050 傳感器在單個芯片中包含一個 MEMS 加速度計和一個 MEMS 陀螺儀。它非常準確，因為它包含用于每個通道的 16 位模數(shù)轉換硬件。它同時捕獲 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，直接在芯片上進行快速計算。這減少了 Arduino 的負載。

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

由于我的板的方向，我使用了根據(jù)來自 FIFO 的四元數(shù)計算的偏航/俯仰/滾動角度（以度為單位）。通過閱讀歐拉角，我遇到了萬向節(jié)鎖的問題。

MP6500步進電機驅動器載體

使用的步進電機驅動器可讓您以每相高達約 1.5 A 的電流連續(xù)控制一個雙極步進電機，無需散熱器或強制氣流（數(shù)據(jù)表）。

級聯(lián)PID控制器

機器人由級聯(lián) PID 控制器控制。電機控制器確保機器人保持直立。位置控制器確保機器人保持其正確的設定點規(guī)定位置。

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

標準 PIDalgorithm 在較長的測試系列后略有修改。向 P 分量添加參數(shù) Kx 乘以 I 分量。

在此更改之前，機器人總是想逃跑。I 部分的簡單增加使機器人不穩(wěn)定。這個解決方案當然在很大程度上取決于機器人的結構（重量、重心等）。

PID控制器

PID控制器

PWM控制器

為了生成 PWM 信號，我修改了“randomvibe”庫。( https://github.com/cloud-rocket/DuePWM )。PWM 控制器在 DuePWMmod 類中實現(xiàn)。通過 PWM Clock-A (“CLKA”) 設置的獨特頻率) 和時鐘 B ("CLKB")。

任務調度

任務派發(fā)：

機器人

液晶顯示器

繪圖儀

是在 Ivan Seidel 的定時器庫的幫助下完成的。（https://github.com/ivanseidel/DueTimer感謝）生成三個具有相應時間的中斷來調用任務。

軟件架構

機器人由主程序SBRobotDue02和以下類組成：

控制

電池

由于PWMmod

到期計時器

玩轉

發(fā)動機

車輛

我的MPU

以及以下內容：

配置

液晶顯示器

Pid參數(shù)

繪圖儀

該體系結構顯示在以下 UML 圖中：

操縱桿

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

使用 Twiddle 進行 PIDauto 整定

Twiddle 是一種算法，它試圖為算法找到一個好的參數(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，他就到達了頂峰。Twiddle算法用于PID參數(shù)的自動整定。首先，可以通過使用電位計進行手動調整來測試參數(shù)。