呂紅濤，王國勝，呂強(qiáng)，劉峰

（裝甲兵工程學(xué)院 控制工程系，北京 100072）

引 言

兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，它實(shí)際上是一個(gè)可以行走的一級倒立擺[1－3]。國內(nèi)外的一些研究成果見參考文獻(xiàn)[4]。

本文設(shè)計(jì)的自平衡機(jī)器人是以TMS320F28069微處理器為主控制器，采用ENC－03R傳感器、XBEE無線傳模塊采集數(shù)據(jù)，來控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自平衡。

1 自平衡機(jī)器人的平衡原理

自平衡機(jī)器人的樣機(jī)如圖1所示，為了建立其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，用Pro／ENGINEER3.0建立三維模型，如圖2所示。左右兩電機(jī)水平放置，車體可以以電機(jī)軸線為中心前后運(yùn)動(dòng)，通過控制兩輪的速度可以實(shí)現(xiàn)小車向前、向后、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)。

自平衡機(jī)器人的基本控制思想是：當(dāng)測量傾斜角度的傳感器檢測到機(jī)器人本體產(chǎn)生傾斜時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)測得的傾角產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的力矩，通過控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)車輪朝機(jī)器人要倒下的方向運(yùn)動(dòng)，保持機(jī)器人自身的動(dòng)態(tài)平衡[5]。當(dāng)未加控制時(shí)，不論車體向前或向后傾斜，左右輪都處于靜止?fàn)顟B(tài)，車體前后傾斜和車輪轉(zhuǎn)動(dòng)是相互獨(dú)立的。當(dāng)開始控制時(shí)，車身在豎直狀態(tài)下釋放，小車有靜止、前進(jìn)、后退3種運(yùn)動(dòng)方式，在正確的控制策略下，機(jī)器人可以保持自身的平衡。

圖1 兩輪自平衡機(jī)器人樣機(jī)

圖2 兩輪自平衡機(jī)器人三維模型

2 自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自平衡機(jī)器人的控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖3所示。為了使其能夠保持平衡，并且完成前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作，機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)包括以下各功能模塊：主控制器TMS320F28069控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行；左右驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；姿態(tài)檢測模塊測量車體傾斜的角速度；電流檢測模塊測量電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小；左右編碼器測量左右輪的旋轉(zhuǎn)角速度；無線傳輸模塊XBEE用于接收地面控制臺的命令，也用于將車體的狀態(tài)值，尤其是各個(gè)傳感器的返回值傳給PC機(jī)，在PC機(jī)上進(jìn)行仿真，驗(yàn)證控制算法的優(yōu)劣。

圖3 自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖

在自平衡機(jī)器人的工作過程中，傳感器采集的車體傾角加速度、電機(jī)轉(zhuǎn)矩大小和左右輪的速度信息等信號經(jīng)過濾波，傳給主控制器TMS320F28069的A／D采集模塊。主控制器根據(jù)傳感器的信息輸出相應(yīng)占空比的方波，經(jīng)VNH3SP30電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速等動(dòng)作，使得自平衡機(jī)器人能夠保持動(dòng)態(tài)的平衡，并能完成相應(yīng)的動(dòng)作。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控制器

系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的32位微處理器TMS320F28069（以下簡稱F28069）作為主控制器，它強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和控制能力可大幅提高應(yīng)用效率和降低功耗。F2806x系列的微處理器是在C2000Piccolo MCU系列處理器的基礎(chǔ)上，增加浮點(diǎn)處理能力的高性能微處理器，工作頻率可以達(dá)到80MHz，并針對實(shí)時(shí)控制的復(fù)雜算法操作增加了控制律加速器（CLA）和新的VCU單元。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路以意法半導(dǎo)體公司專用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大功率集成芯片VNH3SP30為核心，配合簡單的外圍電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。其具體性能指標(biāo)如下：

① 最大電流為30A，電源電壓高達(dá)40V；

② 功率MOS管的導(dǎo)通電阻為0.034Ω；

③ 含有5V兼容的邏輯電平控制信號輸入；

④ 內(nèi)含欠壓、過壓保護(hù)電路；

⑤ 具有芯片過熱報(bào)警輸出和自動(dòng)關(guān)斷功能。

VCC端口是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電源引腳，當(dāng)被施加一個(gè)反向電壓時(shí)，可能會擊穿內(nèi)置二極管，破壞電源開關(guān)。因此，給電源主線串聯(lián)一個(gè)肖特基二極管，進(jìn)行電源反向保護(hù)[6]。為了實(shí)時(shí)檢測電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流，在驅(qū)動(dòng)器的輸出端連接大功率的檢測電阻，設(shè)計(jì)中選用0.1Ω／0.5W的電阻，通過采集電壓值傳送到電流檢測單元，放大輸出到F28069中。

另外，由于電機(jī)的控制信號直接由F28069產(chǎn)生，而直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)直接引入12V的電壓，如果驅(qū)動(dòng)電機(jī)出現(xiàn)了故障，電流可能會串入F28069，對F28069造成損害，所以要對所有的控制信號以及反饋信號進(jìn)行隔離。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路同控制電路完全隔離，這樣，即使電路出現(xiàn)問題，也不會對整個(gè)系統(tǒng)造成很大的損害。綜合考慮，設(shè)計(jì)其驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

3.3 電流檢測電路

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電流檢測電路用來實(shí)時(shí)反饋電機(jī)的電樞電流的大小（即電機(jī)扭矩大?。?。在驅(qū)動(dòng)器輸出端串接大功率檢測電阻，測量電阻兩端的電壓大小，然后通過電流檢測電路放大輸出到F28069的A／D轉(zhuǎn)換模塊端口，進(jìn)而將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由F28069對信號進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的雙閉環(huán)，提高電機(jī)的控制精度。自平衡機(jī)器人的電流檢測電路如圖5所示。

圖5 電流檢測電路

其中，HZU3BLL是3V的穩(wěn)壓管，NJM2734V是電壓跟隨運(yùn)算放大器，NJM2747V是單電源低電壓4路運(yùn)算放大器，M＿OFFSET是電路提供的1.5V基準(zhǔn)電壓，輸出電壓為：

M＿R＝6.25×2×（M＿PLUS－M＿M(jìn)INUS）＋M＿OFFSET

M＿R用來表征電機(jī)扭矩的大小，M＿PLUS表示檢測電阻輸入端的電壓，M＿M(jìn)INUS表示檢測電阻輸出端電壓。

3.4 姿態(tài)檢測電路

車體在運(yùn)動(dòng)過程中，會向前或向后傾斜產(chǎn)生動(dòng)態(tài)加速度，對系統(tǒng)來說是一種干擾，為了能夠有效地去除干擾，系統(tǒng)中需要測量車體的角速度信號，這樣才能在動(dòng)態(tài)的條件下實(shí)時(shí)地解算出車體的傾角信息，然后采取相應(yīng)的控制策略。

選擇村田公司型號為ENC－03R的角速度傳感器。其參數(shù)如下：工作電壓為2.7～5.25V；輸出范圍：±300 deg.／sec.；靜態(tài)信號電壓為1.35V；信號刻度為0.67 mV／deg.／sec.；帶寬響應(yīng)為50Hz。

由于ENC－03R的信號過小，需要外加運(yùn)放才能較好的工作，姿態(tài)檢測電路如圖6所示。

選取的D／A轉(zhuǎn)換芯片型號為AD5620，內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)1.25V的基準(zhǔn)電壓，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為12位，輸出電壓，姿態(tài)檢測反饋電壓V＿GYRO＝15×（V＿OUT＿GYRO－V＿REF＿GYRO）＋V＿OFFSET。

3.5 電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測模塊

自平衡機(jī)器人采用的是德國馮哈勃2342L012CR直流減速電機(jī)，為保證控制系統(tǒng)的精度，需要對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。轉(zhuǎn)速的測量實(shí)質(zhì)是對脈沖寬度進(jìn)行測量，使用F28069的eQEP模塊對單個(gè)周期內(nèi)的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后轉(zhuǎn)換成車輪的速度，為速度閉環(huán)控制提供依據(jù)[7]。兩輪自平衡機(jī)器人中，直流電機(jī)測速時(shí)使用的是光電正交編碼器。

光電編碼器精度高、抗磁干擾性能好、響應(yīng)速度快，其設(shè)計(jì)流程如圖7所示。電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)碼盤動(dòng)作，間斷地阻擋光電對射管的光線，產(chǎn)生不同的電平，從而形成方波信號。為盡量避免干擾，需要將編碼器的地線可靠接地，同時(shí)還要加入濾波電路，濾除高頻和超高頻信號。

3.6 無線傳輸模塊

設(shè)計(jì)中采用XBEE無線傳輸模塊，它主要用于接收地面控制臺的指令，同時(shí)也用于調(diào)試過程中向PC機(jī)傳送數(shù)據(jù)。它工作在2.4GHz ISM頻段，室內(nèi)傳輸距離40m，室外傳輸距離120m，功耗比較低；串口速率為1200～230 400bps，可以通過軟件進(jìn)行設(shè)置；支持工作電壓2.1～3.6V；外形尺寸比較小，支持點(diǎn)對點(diǎn)、對等網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，組網(wǎng)簡單、應(yīng)用領(lǐng)域廣。

圖6 姿態(tài)檢測電路

圖7 編碼器的設(shè)計(jì)流程圖

3.7 電源模塊

電源模塊主要為主控制器和各傳感器供電，為減少各部分之間的干擾，系統(tǒng)采用兩塊鋰電池進(jìn)行供電。其中一塊鋰電池提供的7.4V電壓經(jīng)LM2577－12轉(zhuǎn)換成12V電壓給電機(jī)驅(qū)動(dòng)和NJM2747V供電；另一塊鋰電池電壓經(jīng)過AMS117－5芯片轉(zhuǎn)換成5V電壓給F28069和串口供電，再經(jīng) AMS1117－3.3轉(zhuǎn)換成3.3V電壓給 XBEE、編碼器、NJM2734V供電。其電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 電壓轉(zhuǎn)換電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖9所示。主函數(shù)負(fù)責(zé)初始化控制器的I／O口、初始化定時(shí)器、開中斷等。系統(tǒng)上電初始化完成后，等待定時(shí)器時(shí)間到，將傾角傳感器采集的姿態(tài)信息，以及編碼器采集的速度信息傳給F28069的A／D端口進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到計(jì)算機(jī)器人的姿態(tài)信息和左右輪子的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機(jī)控制中斷到來，根據(jù)得到的信息進(jìn)行PID控制，輸出合適占空比的PWM給電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，保持機(jī)器人的平衡。姿態(tài)檢測是控制器設(shè)計(jì)的核心，關(guān)系到控制性能的好壞。自平衡機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)檢測程序如下：

圖9 控制系統(tǒng)軟件流程

結(jié) 語

本文對兩輪自平衡機(jī)器人的工作原理進(jìn)行了分析，提出了控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。采用TMS320F28069微處理器作為主控制器，設(shè)計(jì)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、姿態(tài)檢測、電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)力矩檢測等硬件控制電路。該電路具有模塊化、動(dòng)態(tài)性能好、適應(yīng)性強(qiáng)、速度快、精度高、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，為下一步優(yōu)化控制算法提供了一個(gè)良好的平臺。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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