CN208654640U - 两轮平衡机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了两轮平衡机器人控制系统，包括数据采集模块、机器人控制系统、电机驱动控制模块，所述机器人控制系统包括方向控制子系统，方向控制子系统包括第一角度环PID控制器、第一角速度环PID控制器，第一角度环PID控制器的输入端输入期望转向角度，第一角度环PID控制器输出端与第一角速度环PID控制器输入端连接，第一角速度环PID控制器输出端与电机驱动控制模块连接，数据采集模块分别与第一角度环PID控制器、第一角速度环PID控制器连接，用于分别将电机当前角度送入到第一角度环PID控制器中、将电机当前角速度送入到第一角速度环PID控制器。本实用新型采用串级PID控制的方式控制方向，采用转向角度、角速度两个参数的PID控制，保证了转向的稳定性。

Description

两轮平衡机器人控制系统

技术领域

本实用新型涉及机器人控制领域，特别涉及一种两轮平衡机器人的控制系统。

背景技术

近年来，两轮平衡机器人的研究在众多发达国家得到迅速发展，对平衡机器人的系统改造让其迅速地应用到众多现实环境中，国外市场也已经推出了众多商业产品并投放市场。两轮自平衡机器人两轮共轴、独立驱动、车身通过运动保持平衡，它对于地形的变化有着很强的适应能力，有着灵活的运动性能，在保持自平衡，还能够在比较复杂的环境里面工作。两轮自平衡机器人是一个集动态决策和规划、环境感知、行为控制和执行等多种功能于一体的综合复杂系统，通过运用速度传感器、超声波传感器、倾角传感器、防碰撞开关等，可以实现跟踪、路径规划和自主避障等多种复杂的功能。

但是由于现阶段两轮平衡机器人普遍采用单级PID控制，导致现在的平衡机器人制作设计过程中需要花费大量的时间精力用于算法优化以及控制参数的调节。而由于单级PID控制技术的不足，导致制作出的平衡机器人产品稳定性与抗干扰性欠佳，从而导致现阶段平衡机器人产品难以推广。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种两轮机器人控制系统，采用串级PID控制的方式控制方向，提高稳定性和转向的准确性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：两轮平衡机器人控制系统，包括数据采集模块、机器人控制系统、电机驱动控制模块，所述机器人控制系统包括方向控制子系统，所述方向控制子系统包括第一角度环PID控制器、第一角速度环PID控制器，所述第一角度环PID控制器的输入端输入期望转向角度，所述第一角度环PID控制器输出端与第一角速度环PID控制器输入端连接，所述第一角速度环PID控制器输出端与电机驱动控制模块连接，数据采集模块分别与第一角度环PID控制器输入端、第一角速度环PID控制器的输入端连接，用于分别将电机当前角度送入到第一角度环PID控制器中、将电机当前角速度送入到第一角速度环PID控制器中。

所述机器人控制系统还包括直立控制子系统，所述直立控制子系统包括第二角度环PID控制器、第二角速度环PID控制器，所述第二角度环PID控制器的输入端输入控制姿态的倾角信号，第二角度环PID控制器的输出端连接第二角速度环PID控制器的输入端，第二角速度环PID控制器与电机驱动控制模块连接，数据采集模块分别连接第二角度环PID控制器、第二角速度环PID控制器，用于分别将采集的电机当前姿态的角度信号发送至第二角度环PID控制器中、将当前角速度信号送入到第二角速度控制器中。

所述机器人控制系统还包括速度控制子系统，所述速度控制子系统包括速度PID闭环控制模块、俯仰角闭环控制模块，速度PID闭环控制模块输入信号为设定速度与数据采集模块采集数据之差，其输出端与俯仰角闭环控制模块连接，俯仰角闭环控制模块的输入端还输入当前机器人的俯仰角信号，俯仰角闭环控制模块输出端连接电机驱动控制模块，用于控制电机的速度。

所述数据采集模块包括数据采集仪、数字处理器。

所述数据采集包括3轴陀螺仪、3轴加速器、速度传感器、角度传感器。

所述机器人控制系统还包括主控制器、人机交互模块、摄像头模块，所述主控制器与人机交互模块、摄像头模块连接。

本实用新型的优点在于：在方向控制上，采用串级PID控制的方式，采用转向角度、角速度两个参数的PID控制，保证了转向的稳定性；进一步通过串级PID方式控制两轮机器人的运行稳定性，以及速度的串级PID控制使得速度的稳定。

附图说明

下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本实用新型方向串级PID控制原理图；

图2为本实用新型直立运行稳定的串级PID控制原理图；

图3为本实用新型速度控制原理图；

图4为本实用新型机器人主控结构原理图；

图5为两轮机器人姿态控制原理图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

两轮平衡机器人控制系统，包括数据采集模块、机器人控制系统、电机驱动控制模块，机器人控制系统包括方向控制子系统，方向控制子系统包括第一角度环PID控制器、第一角速度环PID控制器，第一角度环PID控制器的输入端输入期望转向角度，第一角度环PID控制器输出端与第一角速度环PID控制器输入端连接，第一角速度环PID控制器输出端与电机驱动控制模块连接，数据采集模块分别与第一角度环PID控制器输入端、第一角速度环PID控制器的输入端连接，用于分别将电机当前角度送入到第一角度环PID控制器中、将电机当前角速度送入到第一角速度环PID控制器中。通过人机交互获得的期望转向角度和实际角度进行闭环控制作为输入信号至角速度闭环控制的输入信号，角速度闭环控制的输入还有实际角速度信号，根据两者信号通过闭环控制输出控制电机运行的PWM信号。

平衡机器人方向控制是一个重难点，首先是平衡机器人对于稳定性的要求，转向信息必须稳定可靠无突变，在环境偏差处理上采用多行处理加权平均来进行滤波消抖。由于平衡机器人速度控制波动会偏大，确定的转向值无法控制机器人稳定行驶，因为机器人会有加减速现象。对此采用了模糊化参数控制方法，让转向参数与速度脉冲关联，配合自主设计的串级转向PID算法，让小车在速度变化大也能稳定运行。关于串级转向PID算法，类似于直立的串级控制，小车中线偏差值作为外环控制量，转向角速度偏差作为内环控制量，通过双闭环控制，使小车转向稳定性大大增强。

直立控制子系统用于控制机器人的平衡性能，直立控制子系统包括第二角度环PID控制器、第二角速度环PID控制器，第二角度环PID控制器的输入端输入控制姿态的倾角信号，第二角度环PID控制器的输出端连接第二角速度环PID控制器的输入端，第二角速度环PID控制器与电机驱动控制模块连接，数据采集模块分别连接第二角度环PID控制器、第二角速度环PID控制器，用于分别将采集的电机当前姿态的角度信号发送至第二角度环PID控制器中、将当前角速度信号送入到第二角速度控制器中。

相比现有技术仅考虑单角度控制，本方案采用角度和角速度双向控制：角度、角速度-串级PID控制，串级PID控制就是将角度PID控制、角速度PID控制两个PID控制套起来控制使用。作用是增强了系统的抗干扰性(也就是增强稳定性)，因为有两个控制器控制平衡机器人，它会比单个控制器控制更多的变量，使得平衡机器人的适应能力更强。

速度控制子系统采用串级控制，速度控制子系统包括速度PID闭环控制模块、俯仰角闭环控制模块，速度PID闭环控制模块输入信号为设定速度与数据采集模块采集数据之差，其输出端与俯仰角闭环控制模块连接，俯仰角闭环控制模块的输入端还输入当前机器人的俯仰角信号，俯仰角闭环控制模块输出端连接电机驱动控制模块，用于控制电机的速度。

两轮平衡机器人的速度控制受制于其欠驱的特性，速度跟随性很差，且很容易受到机械的影响，因此对其进行精准速度控制的可能性不大。平衡车的速度控制要通过调整车子的角度来改变，车身前倾，重心靠前，车子要保持平衡必然会加快电机转动，如果在平衡状态下要主动完成前倾的过程，就需要先让电机略微的减速，也就是说要加速，先减速。减速也是同理，要减速，先加速。平衡机器人的速度控制本质上是俯仰角度的控制，因此速度闭环的内环应为俯仰角度闭环，从视觉上看，就是低头加速，抬头减速。由于速度的跟随性问题，为了尽可能的加快响应，在速度控制上我们采取了单纯比例控制，其输入为速度偏差，输出为角度偏差(与给定正常跑动角度的偏差)。

速度环采用串级只需要将速度环的结果叠加在平衡角度上即可，速度差直接对应了一个平衡角度，不需要考虑复杂的正反馈过程，操作简单。速度控制使用PI参数来调节，在角度串级控制加持下，速度控制也能达到稳定的效果。

机器人控制系统包括主控制器、人机交互模块、摄像头模块，所述主控制器与人机交互模块、摄像头模块连接。主控制器用单片机MKL26芯片实现，用来采集和处理信号实现对车体状态控制，同时识别道路信息实现车体能够准确沿着预设路径行驶，与各子控制系统连接用于将人机交互信号发送给。传感器有用来采集道路图像信息的OV7725摄像头，获取车身惯性参量的MPU6050模块以及测量车体速度信息编码器、3轴陀螺仪、3轴加速器、速度传感器、角度传感器等。

姿态传感器采用MPU6050传感器，使用MPU6050进行硬解四元数处理，即从IIC总线上读到的数据不再是MPU6050的AD值，而是通过初始化对DMP引擎的配置，从IIC总线上读到的直接就是四元数的值，从而跳过了程序通过AD值计算四元数这个看起来繁琐的步骤。测试结果，机器人反应更加灵活。

姿态解算的英文是attitude algorithm，也叫做姿态分析，姿态估计，姿态融合。姿态解算是指把陀螺仪、加速度计、罗盘等的数据融合在一起，得出平衡机器人运行姿态。平衡机器人从陀螺仪的三轴角速度通过四元数法得到的俯仰、偏航和滚转角，这是快速解算，结合三轴地磁和三轴加速度得到漂移补偿和深度解算。姿态的数学表示方法，姿态有多种数学表示方式，常见的是四元数，欧拉角，矩阵和轴角。他们各自有其自身的优点，在不同的领域使用不同的表示方式。在四轴飞行器中使用到了四元数和欧拉角。

总结来说，在姿态解算中使用。MPU6050的硬解四元数，即从IIC总线上读到的数据不再是MPU6050的AD值，而是通过初始化对DMP引擎的配置，从IIC总线上读到的直接就是四元数的值，从而跳过了程序通过AD值计算四元数这个看起来繁琐的步骤。

平衡控制算法最重要的是滤波算法和控制算法。采用主控芯片采用MPU6050的硬解四元数，在获得四元数之后，会将其转化为欧拉角，然后输入到姿态控制算法中。控制算法有PID和LQR线性二次型调节器。经过实验和测试，最终采用了卡尔曼滤波算法，使得融合波形跟随性好，因此机器人平衡控制稳定可靠。

本实用新型采用串级PID控制代替现有技术中的单级PID控制，提高了两轮机器人运行控制的稳定性，实现了直立串级、速度串级以及方向串级的串级PID控制，使得整个控制相对于现有技术更加稳定。

显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.两轮平衡机器人控制系统，包括数据采集模块、机器人控制系统、电机驱动控制模块，其特征在于：所述机器人控制系统包括方向控制子系统，所述方向控制子系统包括第一角度环PID控制器、第一角速度环PID控制器，所述第一角度环PID控制器的输入端输入期望转向角度，所述第一角度环PID控制器输出端与第一角速度环PID控制器输入端连接，所述第一角速度环PID控制器输出端与电机驱动控制模块连接，数据采集模块分别与第一角度环PID控制器输入端、第一角速度环PID控制器的输入端连接，用于分别将电机当前角度送入到第一角度环PID控制器中、将电机当前角速度送入到第一角速度环PID控制器中。

2.如权利要求1所述的两轮平衡机器人控制系统，其特征在于：所述机器人控制系统还包括直立控制子系统，所述直立控制子系统包括第二角度环PID控制器、第二角速度环PID控制器，所述第二角度环PID控制器的输入端输入控制姿态的倾角信号，第二角度环PID控制器的输出端连接第二角速度环PID控制器的输入端，第二角速度环PID控制器与电机驱动控制模块连接，数据采集模块分别连接第二角度环PID控制器、第二角速度环PID控制器，用于分别将采集的电机当前姿态的角度信号发送至第二角度环PID控制器中、将当前角速度信号送入到第二角速度控制器中。

3.如权利要求1或2所述的两轮平衡机器人控制系统，其特征在于：所述机器人控制系统还包括速度控制子系统，所述速度控制子系统包括速度PID闭环控制模块、俯仰角闭环控制模块，速度PID闭环控制模块输入信号为设定速度与数据采集模块采集数据之差，其输出端与俯仰角闭环控制模块连接，俯仰角闭环控制模块的输入端还输入当前机器人的俯仰角信号，俯仰角闭环控制模块输出端连接电机驱动控制模块，用于控制电机的速度。

4.如权利要求1所述的两轮平衡机器人控制系统，其特征在于：所述数据采集模块包括数据采集仪、数字处理器。

5.如权利要求4所述的两轮平衡机器人控制系统，其特征在于：所述数据采集包括3轴陀螺仪、3轴加速器、速度传感器、角度传感器。

6.如权利要求1所述的两轮平衡机器人控制系统，其特征在于：所述机器人控制系统还包括主控制器、人机交互模块、摄像头模块，所述主控制器与人机交互模块、摄像头模块连接。