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的值。

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差異，這有時會導致一些麻煩。

現在機器人只有一個 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的值。

第二個級聯 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都增加了。

現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。

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 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，我使用了根據來自 FIFO 的四元數計算的偏航/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 的電流連續控制一個雙極步進電機，無需散熱器或強制氣流（數據表）。

級聯PID控制器

機器人由級聯 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定位置。

級聯控制是多個控制器級聯；相關的控制循環相互嵌套。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 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。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：

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

發動機

車輛

我的MPU

以及以下內容：

配置

液晶顯示器

Pid參數

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。來自屏蔽的數據是通過藍牙連接上的串行事件接收的。JoyStickSlave01 草圖會在發生變化時立即向機器人發送數據。

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。