一种单足自平衡机器人的设计
一种单足自平衡机器人的设计[20200410141243]
摘 要
机器人学至今已取得了巨大的成功，人们已经能够感受到机器人深入生产、生活和社会的坚实步伐。近年来，自平衡机器人的研究与应用得到了很大的关注。
本文提出了一种单轮自平衡机器人的设计方案，本文首先分析了课题的研究背景，研究了国内外的研究现状，系统选用STM32单片机作为为控制核心，完成了传感器信号的处理，滤波算法的实现及机器人控制。采用姿态传感器MPU-9150作为机器人姿态检测装置，使用卡尔曼滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合得到实时姿态值。通过PID控制算法对实时姿态值的处理来控制以F2807S为开关管的H桥电机驱动，实现机器人在足球上保持平衡。
实验表明，整个系统制作完成后，各个模块能够正常并协调工作，机器人可以在无人干预条件下实现自主平衡。同时在引入适量干扰情况下机器人能够自主调整并迅速恢复稳定状态。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:STM32卡尔曼滤波PID单足机器人
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 课题研究意义 2
1.3 论文章节安排 2
1.4 本章小结 3
2. 单足自平衡机器人方案设计 4
2.1 系统框图设计 4
2.1.1 机器人系统模型 4
2.1.2 机器人控制系统设计 4
2.2系统数学模型设计 5
2.3 系统卡尔曼滤波工作原理 7
2.4 系统PID控制原理 9
2.5 本章小结 10
3. 单足自平衡机器人硬件设计 11
3.1 控制核心电路设计 11
3.2 系统的供电电路设计 12
3.3 姿态检测电路设计 13
3.4 电机驱动电路设计 14
3.5 OLED显示电路设计 17
3.6 蓝牙通信电路设计 18
3.7 本章小结 19
4. 单足自平衡机器人软件设计 20
4.1 系统软件总体设计 20
4.2 姿态传感器模块软件设计 21
4.2.1 姿态传感器初始化软件设计 21
4.2.2 姿态检测软件设计 22
4.3 卡尔曼滤波软件设计 22
4.3.1 卡尔曼滤波初始化软件设计 23
4.3.2 卡尔曼滤波软件设计 23
4.4 OLED显示软件设计 25
4.4.1 OLED初始化软件设计 25
4.4.2 OLED软件设计 26
4.5 蓝牙传输软件设计 27
4.5.1 蓝牙模块初始化软件设计 27
4.5.2 蓝牙通信软件设计 28
4.6 I2C传输协议软件设计 28
4.6.1起始信号与终止信号 29
4.6.2应答信号 30
4.7 PID控制软件设计 30
4.8 本章小结 32
5. 系统调试 33
5.1系统调试工具 33
5.2硬件电路调试 34
5.3 姿态检测系统调试 34
5.4控制系统PID参数整定 36
5.5本章小结 37
6. 总结与展望 36
参考文献 37
附录 38
附录1 主控制器硬件原理图 38
附录2 电机驱动硬件原理图 39
附录3 实物图 40
附录4 系统主要程序 41
致谢 47
1. 绪论
1.1 课题研究背景
信息化社会不断的发展和进步，使得机器人在生活乃至于生产中有了更多领域的推广应用。其中应用最广研发最早的一类机器人就是移动机器人，移动机器人按照形态的不同可分为轮式、蛇行式、跳跃式、履带式、腿式和复合式。履带式机器人能与地面充分的接触，因此履带式机器人的接地压力小，在比较松软泥泞的地形中的附着性和通过性比较的好，攀爬阶梯、翻越障碍时的平稳性较高，本身系统具有较好的自复位功能。履带式机器人的缺点也很多，例如机器人本身比较的笨重，使得机器人的移动速度变慢、消耗的能量变大、转弯时会对地面产生较大的破坏。腿式移动机器人可以在很多特殊的环境中工作，实现很多其他机器人不能实现功能，只是因为他的机制的自由度太多，因此稳定性能得不到提高，系统编程较为繁琐复杂，使得机器人的控制极为困难，而且行走速度很慢，消耗的功率也比较大。蛇行式和跳跃式移动机器人在未知的环境中，机动性和灵活性能等方面无可被替代，与此同时它们也存在着致命的缺陷，比如说负重的性能和平稳行驶性能等方面。复合式移动机器人可以在一些特殊的环境下执行任务，例如美国制造的最新的管道机器人，能在狭窄的管道中完成作业，是一款复合式机器人的典型例子。还有的复合式机器人甚至可以改变形态，但这类的机器人往往结构设计和控制方式都会相对的比较复杂。轮式移动机器人就是通过驱动轮子来移动和工作的机器人。由此看来，轮式机器人可以说是移动机器人中的佼佼者，因为它集中了上述机器人的有点，而且缺点相对的少。例如说论是机器人的平稳性能相对于其他的移动机器人较好，而且可以以较高的速度运行，控制简单，功耗少。尽管轮式机器人的运动平稳性和路况好坏有着较大的联系，但因为它具有较多的不可替代的优点而被广泛应用在工业、农业、家庭等方面。
在轮式机器人中，轮子的个数和机器人本身设计的技术难度息息相关，轮式机器人的功用也会发生一些改变。因此轮式移动机器人都是根据其轮子个数进行分类，当下生产生活中已经被研发出来并使用的机器人中，可分为以下几类：单轮机器人、两、三轮机器人、四轮机器人、六轮机器人和复合轮式机器人。在生活中三轮式移动机器人较为简单实用，四轮式移动机器人的平稳性能较好，载重性能较强，在这些轮式机器人中，比较之下单轮自平衡移动机器人比多轮式移动机器人在很多方面性能更为突出。
在06年之前，美国的一所大学的科学家研究出了一个名字叫Ballbot富有新意的平衡机器人，机器人的整个身体直立在一个球上。再后来，日本的一所大学也研究出了类似于Ballbot平衡机器人。最近，由日本的乐高平台研究出了NXT Ballbot系列的平衡机器人，但这样的研究在国内，这个领域的技术还不是很完善。
1.2 课题研究意义
上个世纪的八十年代，自平衡这类的机器人被定义为自身不稳定自主平衡移动机器人。早在几年前，基于自平衡平台的机器人就已经在各个领域推广应用，它依然属于轮式移动机器人家族中的最具吸引力的一员，并且添加了移动自主的思想，是轮式移动机器人中比较特别的一类。这样的创意来源于一级倒立摆的二维模型的设计，对其数学模型的分析，可知其系统是一个多变量、非线性和强耦合的不稳定的系统。一般的移动机器人设计平台都建立在运动学和动力学基础之上。运动学可以说是对机器人的执行机制的最根本的探索，运动学模型是以研究机器人的状态变量为主。动力学是对机器人机体系统运行时的实时运动状态和机器人受力状况的探索，主要包括力、力矩、加减速和直线运动等方面。
在机器人领域中，基于双轮的平衡机器人和四轮平衡机器人相比，在环境的适应性能和体积大小方面发生了很大的改进。传统概念中的机器人移动平台一般由履带轮或两个以上的轮实现的，它们在自然静止状态下稳定性高，但是这些仅仅在重心低的移动下才会具有这样好的效果，如果重心突然改变或重心偏高，那就会很容易摔倒，例如在刹车的时候。这些情况就严重限制了它们的应用范围。制作机器人结构的时候一般需要将摄像头等传感器安放在一个合适高度，这会使机器人的重心变高，影响机器人稳定的运行，很容易摔倒。若是在狭窄的道路上行驶，常用的的轮式车或履带车如果想要转向，都需要一个合适的转弯半径，就因为这样的原因给生活带来了极大的不便。
单足自平衡机器人是通过自身的平衡调节器，使其在球上近似平稳的站立，达到一个动态平衡。球与地面有一个微小的接触点，和一般的多轮车相比，单足平衡机器人着灵活性更好，可以实现零半径地在任何方向上移动，同时能够极大的免除传统车因重心改变而倾倒的担忧。正因为这样本设计机器人能够在狭窄、拥挤和多扰动的复杂情况下均能运行。
1.3 论文章节安排
第一章：主要介绍课题研究的背景和课题研究意义。
摘 要
机器人学至今已取得了巨大的成功，人们已经能够感受到机器人深入生产、生活和社会的坚实步伐。近年来，自平衡机器人的研究与应用得到了很大的关注。
本文提出了一种单轮自平衡机器人的设计方案，本文首先分析了课题的研究背景，研究了国内外的研究现状，系统选用STM32单片机作为为控制核心，完成了传感器信号的处理，滤波算法的实现及机器人控制。采用姿态传感器MPU-9150作为机器人姿态检测装置，使用卡尔曼滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合得到实时姿态值。通过PID控制算法对实时姿态值的处理来控制以F2807S为开关管的H桥电机驱动，实现机器人在足球上保持平衡。
实验表明，整个系统制作完成后，各个模块能够正常并协调工作，机器人可以在无人干预条件下实现自主平衡。同时在引入适量干扰情况下机器人能够自主调整并迅速恢复稳定状态。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:STM32卡尔曼滤波PID单足机器人
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 课题研究意义 2
1.3 论文章节安排 2
1.4 本章小结 3
2. 单足自平衡机器人方案设计 4
2.1 系统框图设计 4
2.1.1 机器人系统模型 4
2.1.2 机器人控制系统设计 4
2.2系统数学模型设计 5
2.3 系统卡尔曼滤波工作原理 7
2.4 系统PID控制原理 9
2.5 本章小结 10
3. 单足自平衡机器人硬件设计 11
3.1 控制核心电路设计 11
3.2 系统的供电电路设计 12
3.3 姿态检测电路设计 13
3.4 电机驱动电路设计 14
3.5 OLED显示电路设计 17
3.6 蓝牙通信电路设计 18
3.7 本章小结 19
4. 单足自平衡机器人软件设计 20
4.1 系统软件总体设计 20
4.2 姿态传感器模块软件设计 21
4.2.1 姿态传感器初始化软件设计 21
4.2.2 姿态检测软件设计 22
4.3 卡尔曼滤波软件设计 22
4.3.1 卡尔曼滤波初始化软件设计 23
4.3.2 卡尔曼滤波软件设计 23
4.4 OLED显示软件设计 25
4.4.1 OLED初始化软件设计 25
4.4.2 OLED软件设计 26
4.5 蓝牙传输软件设计 27
4.5.1 蓝牙模块初始化软件设计 27
4.5.2 蓝牙通信软件设计 28
4.6 I2C传输协议软件设计 28
4.6.1起始信号与终止信号 29
4.6.2应答信号 30
4.7 PID控制软件设计 30
4.8 本章小结 32
5. 系统调试 33
5.1系统调试工具 33
5.2硬件电路调试 34
5.3 姿态检测系统调试 34
5.4控制系统PID参数整定 36
5.5本章小结 37
6. 总结与展望 36
参考文献 37
附录 38
附录1 主控制器硬件原理图 38
附录2 电机驱动硬件原理图 39
附录3 实物图 40
附录4 系统主要程序 41
致谢 47
1. 绪论
1.1 课题研究背景
信息化社会不断的发展和进步，使得机器人在生活乃至于生产中有了更多领域的推广应用。其中应用最广研发最早的一类机器人就是移动机器人，移动机器人按照形态的不同可分为轮式、蛇行式、跳跃式、履带式、腿式和复合式。履带式机器人能与地面充分的接触，因此履带式机器人的接地压力小，在比较松软泥泞的地形中的附着性和通过性比较的好，攀爬阶梯、翻越障碍时的平稳性较高，本身系统具有较好的自复位功能。履带式机器人的缺点也很多，例如机器人本身比较的笨重，使得机器人的移动速度变慢、消耗的能量变大、转弯时会对地面产生较大的破坏。腿式移动机器人可以在很多特殊的环境中工作，实现很多其他机器人不能实现功能，只是因为他的机制的自由度太多，因此稳定性能得不到提高，系统编程较为繁琐复杂，使得机器人的控制极为困难，而且行走速度很慢，消耗的功率也比较大。蛇行式和跳跃式移动机器人在未知的环境中，机动性和灵活性能等方面无可被替代，与此同时它们也存在着致命的缺陷，比如说负重的性能和平稳行驶性能等方面。复合式移动机器人可以在一些特殊的环境下执行任务，例如美国制造的最新的管道机器人，能在狭窄的管道中完成作业，是一款复合式机器人的典型例子。还有的复合式机器人甚至可以改变形态，但这类的机器人往往结构设计和控制方式都会相对的比较复杂。轮式移动机器人就是通过驱动轮子来移动和工作的机器人。由此看来，轮式机器人可以说是移动机器人中的佼佼者，因为它集中了上述机器人的有点，而且缺点相对的少。例如说论是机器人的平稳性能相对于其他的移动机器人较好，而且可以以较高的速度运行，控制简单，功耗少。尽管轮式机器人的运动平稳性和路况好坏有着较大的联系，但因为它具有较多的不可替代的优点而被广泛应用在工业、农业、家庭等方面。
在轮式机器人中，轮子的个数和机器人本身设计的技术难度息息相关，轮式机器人的功用也会发生一些改变。因此轮式移动机器人都是根据其轮子个数进行分类，当下生产生活中已经被研发出来并使用的机器人中，可分为以下几类：单轮机器人、两、三轮机器人、四轮机器人、六轮机器人和复合轮式机器人。在生活中三轮式移动机器人较为简单实用，四轮式移动机器人的平稳性能较好，载重性能较强，在这些轮式机器人中，比较之下单轮自平衡移动机器人比多轮式移动机器人在很多方面性能更为突出。
在06年之前，美国的一所大学的科学家研究出了一个名字叫Ballbot富有新意的平衡机器人，机器人的整个身体直立在一个球上。再后来，日本的一所大学也研究出了类似于Ballbot平衡机器人。最近，由日本的乐高平台研究出了NXT Ballbot系列的平衡机器人，但这样的研究在国内，这个领域的技术还不是很完善。
1.2 课题研究意义
上个世纪的八十年代，自平衡这类的机器人被定义为自身不稳定自主平衡移动机器人。早在几年前，基于自平衡平台的机器人就已经在各个领域推广应用，它依然属于轮式移动机器人家族中的最具吸引力的一员，并且添加了移动自主的思想，是轮式移动机器人中比较特别的一类。这样的创意来源于一级倒立摆的二维模型的设计，对其数学模型的分析，可知其系统是一个多变量、非线性和强耦合的不稳定的系统。一般的移动机器人设计平台都建立在运动学和动力学基础之上。运动学可以说是对机器人的执行机制的最根本的探索，运动学模型是以研究机器人的状态变量为主。动力学是对机器人机体系统运行时的实时运动状态和机器人受力状况的探索，主要包括力、力矩、加减速和直线运动等方面。
在机器人领域中，基于双轮的平衡机器人和四轮平衡机器人相比，在环境的适应性能和体积大小方面发生了很大的改进。传统概念中的机器人移动平台一般由履带轮或两个以上的轮实现的，它们在自然静止状态下稳定性高，但是这些仅仅在重心低的移动下才会具有这样好的效果，如果重心突然改变或重心偏高，那就会很容易摔倒，例如在刹车的时候。这些情况就严重限制了它们的应用范围。制作机器人结构的时候一般需要将摄像头等传感器安放在一个合适高度，这会使机器人的重心变高，影响机器人稳定的运行，很容易摔倒。若是在狭窄的道路上行驶，常用的的轮式车或履带车如果想要转向，都需要一个合适的转弯半径，就因为这样的原因给生活带来了极大的不便。
单足自平衡机器人是通过自身的平衡调节器，使其在球上近似平稳的站立，达到一个动态平衡。球与地面有一个微小的接触点，和一般的多轮车相比，单足平衡机器人着灵活性更好，可以实现零半径地在任何方向上移动，同时能够极大的免除传统车因重心改变而倾倒的担忧。正因为这样本设计机器人能够在狭窄、拥挤和多扰动的复杂情况下均能运行。
1.3 论文章节安排
第一章：主要介绍课题研究的背景和课题研究意义。
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