CN110162068A - 一种自平衡机器人的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种自平衡机器人的控制方法，通过电源模块提供稳定的直流电源驱动模块，控制模块发出指令控制执行模块的直流电机按照程序编写的方式运行，并由编码器组成反馈回路；由姿态检测模块采集***中各姿态角，并将传输到主控制器，组成控制回路，对电机进行控制。所述的姿态检测模块中传感器能直接读取四元数和加速度，精确得到倾角值和角速度值，使得自平衡机器人的稳定性更高，对外界环境进行自适应同时能最大程度降低外界环境对自平衡机器人的干扰，从而保证了其安全性和稳定性，另外，减少主控制器的算法压力，提高了数据传输的精确度，提高了***的实时性。
Description
技术领域
本发明涉及自平衡机器人领域，具体而言，涉及一种自平衡机器人的控制方法。
背景技术
自平衡机器人是一种新型的小型交通工具，其模型类似于一级倒立摆，具有非线性和强耦合性等特点。它的结构特点是双轮共轴，左右平行布置，自平衡机器人是一个高度不稳定的***，陀螺仪有很好的动态效果，但是由于陀螺仪存在温漂，静态时积分后得到的角度会产生很大的偏差；而对加速度计信号采用平滑滤波去噪，可以得到很好的静态角度，但在运动过程中容易受动态加速度干扰。因此，单独使用加速度计或陀螺仪都不能够得到有效而可靠的车体姿态信息，而且这种线性组合方式使得***的稳定上无法兼顾，面对较大的干扰时，***不稳定，因此，有必要研究一款稳定性高的自平衡机器人以实现自平衡机器人的平衡行走、准确行走、避障。
一种自平衡机器人的控制方法，其实际应用中的亟待处理的实际问题还有很多未提出具体的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种自平衡机器人的控制方法以解决所述问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种自平衡机器人的控制方法包括电气***，所述的电气***分为控制模块、姿态检测模块、无线通讯模块、执行模块、电源模块；其中电源模块为其它部分提供稳定的直流电源驱动模块，控制模块发出指令控制执行模块中的直流电机按照程序编写的方式运行，并由编码器组成反馈回路；***运动时各方向姿态角的变化，均由姿态检测模块测量，并上传数据处理进行分析，同时数据反馈到主控制器，组成控制回路；
所述的姿态检测模块采用传感器采集角速度和加速度信号，通过传感器的DMP直接读取四元数和加速度并将四元数直接转换为机器人倾角，通过控制模块输出施加在电机上的电压和转向，对电机进行控制。
可选地，所述的传感器为六轴惯性传感器。
可选地，所述的六轴惯性传感器包括三轴MEMS加速度计和三轴MEMS陀螺仪，还包含一个数字运动处理器DMP，能将三轴MEMS加速度计和三轴MEMS陀螺仪采集的数据进行融合，独立完成姿态解算。
可选地，所述的六轴惯性传感器能与其它数字传感器连接扩展成九轴传感器，能够输出一个九轴的信号，建立完整的空间姿态信息。
可选地，所述的三轴MEMS陀螺仪和所述的三轴MEMS加速度计分别采集x轴、y轴和z轴的电压值，然后通过ADC转换成数字信号，最后通过I2C总线传送到主控制芯片。
可选地，所述的四元数转换为机器人倾角的公式为：
其中，Pitch旋转角就是所需要求得的自平衡机器人的倾角。
可选地，通过无线通讯模块实现自平衡机器人与外部设备进行数据通讯。
可选地，所述的控制模块包括核心控制器，所述的核心控制器为单片机嵌入式计算机***。
可选地，所述的控制模块中设定表达式，angle：平衡角度偏差；Gyro_y：y轴角速度；V：速度偏差；Vi：速度偏差积分；Gyro_z：z轴角速度，所述的表达式为：
PWM＝angle·Kp+Gyro_y·Kd+V·Kps+Vi·Kis+Gyro_z·Kpt。
可选地，所述的控制模块中采用临界比例法进行参数整定。
与现有技术相比，本发明所取得的有益技术效果是：
1、本发明的控制方法采用传感器采集加速度和加速度信号，通过传感器自带的DMP直接读取四元数和加速度，能精确得到倾角值和角速度值，使得自平衡机器人的稳定性更高，以实现自平衡机器人的平衡行走、准确行走、避障。
2、本发明的控制方法能够对外界环境进行自适应同时能最大程度降低外界环境对自平衡机器人的干扰，从而保证了其安全性和稳定性。
3、本发明的控制方法能减少主控制器的算法压力，提高了数据传输的精确度，提高了***的实时性。
附图说明
从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。
图1是本发明实施例之一中一种自平衡机器人的控制方法的总***图；
图2是本发明实施例之一中一种自平衡机器人的控制方法的控制模块流程图。
图3是本发明实施例之一中一种自平衡机器人的控制方法的临界比例法进行参数整定的***图。
具体实施方式
为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。对于本领域技术人员而言，在查阅以下详细描述之后，本实施例的其它***、方法和/或特征将变得显而易见。旨在所有此类附加的***、方法、特征和优点都包括在本说明书内、包括在本发明的范围内，并且受所附权利要求书的保护。在以下详细描述描述了所公开的实施例的另外的特征，并且这些特征根据以下将详细描述将是显而易见的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、
“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明为一种自平衡机器人的控制方法，根据图1-3所示讲述以下实施例：
实施例一：
一种自平衡机器人的控制方法包括电气***，所述的电气***分为控制模块、姿态检测模块、无线通讯模块、执行模块、电源模块；其中电源模块为其它部分提供稳定的直流电源驱动模块，控制模块发出指令控制执行模块中的直流电机按照程序编写的方式运行，并由编码器组成反馈回路；***运动时各方向姿态角的变化，均由姿态检测模块测量，并上传数据处理进行分析，同时数据反馈到主控制器，组成控制回路；
所述的姿态检测模块采用传感器采集角速度和加速度信号，通过传感器的DMP直接读取四元数和加速度并将四元数直接转换为机器人倾角，通过控制模块输出施加在电机上的电压和转向，对电机进行控制。
其中，所述的传感器为六轴惯性传感器；所述的六轴惯性传感器包括三轴MEMS加速度计和三轴MEMS陀螺仪，还包含一个数字运动处理器DMP，能将三轴MEMS加速度计和三轴MEMS陀螺仪采集的数据进行融合，独立完成姿态解算；所述的六轴惯性传感器能与其它数字传感器连接扩展成九轴传感器，能够输出一个九轴的信号，建立完整的空间姿态信息；所述的三轴MEMS陀螺仪和所述的三轴MEMS加速度计分别采集x轴、y轴和z轴的电压值，然后通过ADC转换成数字信号，最后通过I2C总线传送到主控制芯片；所述的四元数转换为机器人倾角的公式为：
Pitch旋转角就是所需要求得的小车倾角；通过无线通讯模块实现自平衡机器人与外部设备进行数据通讯；所述的控制模块包括核心控制器，所述的核心控制器为单片机嵌入式计算机***；所述的控制模块中设定表达式，angle：平衡角度偏差；Gyro_y：y轴角速度；V：速度偏差；Vi：速度偏差积分；Gyro_z：z轴角速度，所述的表达式为：
PWM＝angle·Kp+Gyro_y·Kd+V·Kps+Vi·Kis+Gyro_z·Kpt；所述的控制模块中采用临界比例法进行参数整定。
实施例二：
参见图1，一种自平衡机器人的控制方法包括电气***，所述的电气***分为控制模块、姿态检测模块、无线通讯模块、执行模块、电源模块；其中电源模块为其它部分提供稳定的直流电源驱动模块，控制模块发出指令控制执行模块中的直流电机按照程序编写的方式运行，并由编码器组成反馈回路；***运动时各方向姿态角的变化，均由姿态检测模块测量，并上传数据处理进行分析，同时数据反馈到主控制器，组成控制回路；通过无线通讯模块实现自平衡机器人与外部设备进行数据通讯。
所述的姿态检测模块采用传感器采集角速度和加速度信号，通过传感器的DMP直接读取四元数和加速度并将四元数直接转换为机器人倾角，通过控制模块输出施加在电机上的电压和转向，对电机进行控制。
所述的传感器为六轴惯性传感器，其包括三轴MEMS加速度计和三轴MEMS陀螺仪，还包含一个数字运动处理器DMP，能将三轴MEMS加速度计和三轴MEMS陀螺仪采集的数据进行融合，独立完成姿态解算；且所述的六轴惯性传感器能与其它数字传感器连接扩展成九轴传感器，能够输出一个九轴的信号，建立完整的空间姿态信息。在芯片正常工作时，所述的三轴MEMS陀螺仪和所述的三轴MEMS加速度计分别采集x轴、y轴和z轴的电压值，然后通过ADC转换成数字信号，最后通过I2C总线传送到主控制芯片，主控芯片通过采用400KHz的I2C的方式与其它设备通信，片内嵌有一个温度传感器、1024字节的FIFO和一个高精度振荡器，DMP数字运动处理引擎可将陀螺仪和加速度计的数据进行融合演算，直接输出四元数，STM32通过简单的计算就可以得到机器人的倾角，使得主控制器不用额外执行融合算法，有更多的时间去处理控制模块中的各种参数和电机调速，减轻了主控制的压力，提高了***的实时性；所述的四元数转换为机器人倾角的公式为：
四元数就是形如ai+bj+ck+d的数，其中a、b、c、d是实数，i、j、k是虚数，a2+b2+c2+d2的平方根，称为四元数的模。定义：
q＝[w x y z]T
|q|2＝w2+x2+y2+z2＝1；
通过旋转轴和绕该旋转轴的角度可以构造一个四元数：
w＝cos(α/2)
x＝sin(α/2)cos(Roll)
y＝sin(α/2)cos(Pitch)
z＝sin(α/2)cos(Yaw)
其中，α是绕旋转轴的角度；cos(Roll)，cos(Pitch)，cos(Yaw)为旋转轴在x、y、z方向的分量；
四元数到倾角的转换：
其中，Pitch旋转角就是所需要求得的自平衡机器人的倾角。
参见图2，本发明采用MPU6050内部的数字运动处理器，须对MPU6050进行相关的初始化和设置，传输到初始化传感器模块中，通过控制模块进行一系列的程序操作，进行PWM输出或控制电机。
所述的控制模块包括核心控制器，所述的核心控制器为单片机嵌入式计算机***。
参见图3，所述的控制模块中设定表达式，angle：平衡角度偏差；Gyro_y：y轴角速度；V：速度偏差；Vi：速度偏差积分；Gyro_z：z轴角速度，所述的表达式为：
PWM＝angle·Kp+Gyro_y·Kd+V·Kps+Vi·Kis+Gyro_z·Kpt。
所述的控制模块中采用临界比例法进行参数整定，整定步骤如下：
(1)控制模块中只加入比例控制环节，其他参数设为零，增加主控制器的比例增益参数P值，观察输出值，直到***出现临界振荡，即可认为***达到临界状态，最后确定比例增益参数P值为当前值的60％-70％；
(2)确定比例增益参数P值后，取一个较大的Ti值，然后逐渐减小Ti值，直至***出现振荡，反之，逐渐加大Ti值，直至***振荡消失，最后确定参数Ti值为当前值的150％-180％；
(3)参数微分时间常数Td值的确定方法与比例增益参数P值方法相同，取不振荡时的30％。
另外，在***输出不振荡时，尽量增大比例增益参数P值、减小积分时间常数Ti和增大微分时间常数Td。
在该实施例中，对及其人进行闭环控制，通过控制模块计算后将结果输出到执行模块中。
实施例三：
一种自平衡机器人的控制方法包括电气***，通过电源模块为其它部分提供稳定的直流电源驱动模块，控制模块发出指令控制执行模块中的直流电机按照程序编写的方式运行，前提要对个模块进行初始化操作，该步骤为整个自平衡机器人的初始化操作，包括主控制器的初始化、传感器初始化、执行模块的初始化、无线通信初始化、中断初始化操作，中断初始化能准确地控制嵌入式操作***，实现一系列功能，无线通信模块初始化操作能为芯片之间的通信提供保障，传感器的初始化能更精准地检测到姿态信息；并由编码器组成反馈回路；***运动时各方向姿态角的变化，均由姿态检测模块测量，并上传数据处理进行分析，同时数据反馈到主控制器，组成控制回路；执行模块初始化能对电机的参数进行初始化，尤其对执行模块中的编码器的初始值进行记录。
所述的姿态检测模块采用传感器采集角速度和加速度信号，通过传感器的DMP直接读取四元数和加速度并将四元数直接转换为机器人倾角，通过控制模块输出施加在电机上的电压和转向，对电机进行控制。由于一般姿态传感器无法直接应用于自平衡控制，需要根据实际传感器的选择与***情况进行滤波、拟合等计算，从而获得可控的姿态信息传递，减少了主控制器的算法压力。
在具体的实施例中，所述的传感器为六轴惯性传感器；所述的六轴惯性传感器包括三轴MEMS加速度计和三轴MEMS陀螺仪，还包含一个数字运动处理器DMP，能将三轴MEMS加速度计和三轴MEMS陀螺仪采集的数据进行融合，独立完成姿态解算；所述的六轴惯性传感器能与其它数字传感器连接扩展成九轴传感器，能够输出一个九轴的信号，建立完整的空间姿态信息；所述的三轴MEMS陀螺仪和所述的三轴MEMS加速度计分别采集x轴、y轴和z轴的电压值，然后通过ADC转换成数字信号，最后通过I2C总线传送到主控制芯片；六轴惯性传感器中的陀螺仪动态性能较好，加速度计静态性能较好，根据其特性，能设计设定值得到四元数。所述的四元数转换为机器人倾角的公式为：
Pitch旋转角就是所需要求得的小车倾角；通过无线通讯模块实现自平衡机器人与外部设备进行数据通讯；所述的控制模块包括核心控制器，所述的核心控制器为单片机嵌入式计算机***；
在一优选的实施例中，自平衡机器人采用PID控制算法通过设计合理的PID控制参数来完成位置控制功能。PID控制由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的***，是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让***的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使***更加准确，更加稳定。在该实施例中，采用临界比例法进行参数整定，整定步骤如下：
(1)控制模块中只加入比例控制环节，其他参数设为零，增加主控制器的比例增益参数P值，观察输出值，直到***出现临界振荡，即可认为***达到临界状态，最后确定比例增益参数P值为当前值的60％-70％；
(2)确定比例增益参数P值后，取一个较大的Ti值，然后逐渐减小Ti值，直至***出现振荡，反之，逐渐加大Ti值，直至***振荡消失，最后确定参数Ti值为当前值的150％-180％；
(3)参数微分时间常数Td值的确定方法与比例增益参数P值方法相同，取不振荡时的30％。
另外，在***输出不振荡时，尽量增大比例增益参数P值、减小积分时间常数Ti和增大微分时间常数Td。
将执行模块中的编码器所反应自平衡机器人的实时位置信息作为自平衡控制器的反馈量，通过位置迭代的方式得到自平衡控制的控制量，将控制量和反馈量的差作为闭环PID控制的输入量，计算后将结果输出到执行模块中。
其中，设定表达式，angle：平衡角度偏差；Gyro_y：y轴角速度；V：速度偏差；Vi：速度偏差积分；Gyro_z：z轴角速度，所述的表达式为：
PWM＝angle·Kp+Gyro_y·Kd+V·Kps+Vi·Kis+Gyro_z·Kpt；
所述的执行模块包括电机、驱动轮、以及用于实时反馈自平衡机器人的位置信息的编码器。其中，电机连接驱动轮，编码器连接电机，编码器将电机旋转产生的角度变化转变成自身的码数变化，进而产生电信号的变化，电信号的变化作为自平衡机器人的位置信息反馈给所述自平衡位置控制器，且编码器具有较高精度，用于实时、精准地反馈自平衡机器人的位置信息，图1已经描绘了带有编码器如何与电机实现信息反馈；图2已经描绘了控制模块中PID控制算法与其它模块之间的信息反馈关系；图3已经描绘了具体的优化PID控制算法的具体参数整定步骤。
综合上，本发明的自平衡机器人的控制方法简便，能减轻主控制器的算法压力，得到更精准的倾角参数，使得自平衡机器人更加稳定与安全。
虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。也就是说上面讨论的方法，***和设备是示例。各种配置可以适当地省略，替换或添加各种过程或组件。例如，在替代配置中，可以以与所描述的顺序不同的顺序执行方法，和/或可以添加，省略和/或组合各种部件。而且关于某些配置描述的特征可以以各种其他配置组合，如可以以类似的方式组合配置的不同方面和元素。此外，随着技术发展其中的元素可以更新，即许多元素是示例，并不限制本公开或权利要求的范围。
在说明书中给出了具体细节以提供对包括实现的示例性配置的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践配置例如，已经示出了众所周知的电路，过程，算法，结构和技术而没有不必要的细节，以避免模糊配置。该描述仅提供示例配置，并且不限制权利要求的范围，适用性或配置。相反，前面对配置的描述将为本领域技术人员提供用于实现所描述的技术的使能描述。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。
综上，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以下权利要求(包括所有等同物)旨在限定本发明的精神和范围。以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (10)
1.一种自平衡机器人的控制方法，其特征在于，包括电气***，所述的电气***分为控制模块、姿态检测模块、无线通讯模块、执行模块、电源模块；其中电源模块为其它部分提供稳定的直流电源驱动模块，控制模块发出指令控制执行模块中的直流电机按照程序编写的方式运行，并由编码器组成反馈回路；***运动时各方向姿态角的变化，均由姿态检测模块测量，并上传数据处理进行分析，同时数据反馈到主控制器，组成控制回路。
2.如权利要求1所述的自平衡机器人的控制方法，其特征在于，所述的姿态检测模块采用传感器采集角速度和加速度信号，通过传感器的DMP直接读取四元数和加速度并将四元数直接转换为机器人倾角，通过控制模块输出施加在电机上的电压和转向，对电机进行控制。
3.如前述权利要求之一所述的自平衡机器人的控制方法，其特征在于，所述的传感器为六轴惯性传感器，所述的六轴惯性传感器包括三轴MEMS加速度计和三轴MEMS陀螺仪，还包含一个数字运动处理器DMP，能将三轴MEMS加速度计和三轴MEMS陀螺仪采集的数据进行融合，独立完成姿态解算。
4.如前述权利要求之一所述的自平衡机器人的控制方法，其特征在于，所述的六轴惯性传感器能与其它数字传感器连接扩展成九轴传感器，能够输出一个九轴的信号，建立完整的空间姿态信息。
5.如前述权利要求之一所述的自平衡机器人的控制方法，其特征在于，所述的三轴MEMS陀螺仪和所述的三轴MEMS加速度计分别采集x轴、y轴和z轴的电压值，然后通过ADC转换成数字信号，最后通过I2C总线传送到主控制芯片。
6.如前述权利要求之一所述的自平衡机器人的控制方法，其特征在于，所述的四元数转换为机器人倾角的公式为：
其中，Pitch旋转角就是所需要求得的自平衡机器人的倾角。
7.如前述权利要求之一所述的自平衡机器人的控制方法，其特征在于，通过无线通讯模块实现自平衡机器人与外部设备进行数据通讯。
8.如前述权利要求之一所述的自平衡机器人的控制方法，其特征在于，所述的控制模块包括核心控制器，所述的核心控制器为单片机嵌入式计算机***。
9.如前述权利要求之一所述的自平衡机器人的控制方法，其特征在于，所述的控制模块中设定表达式，angle：平衡角度偏差；Gyro_y：y轴角速度；V：速度偏差；Vi：速度偏差积分；Gyro_z：z轴角速度，所述的表达式为：
PWM＝angle·Kp+Gyro_y·Kd+V·Kps+Vi·Kis+Gyro_z·Kpt。
10.如前述权利要求之一所述的自平衡机器人的控制方法，其特征在于，所述的控制模块中采用临界比例法进行参数整定。
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