吳 晗, 徐開蕓, 朱 昊, 李家釗

(南京工程學院自動化學院, 江蘇 南京 211167)

隨著市場對機器人的自適應能力和運動特性提出了更高要求，研究和設計運動靈活的機器人已迫在眉睫。球型機器人能在惡劣、復雜的環(huán)境中行走，以其運動靈活、能耗低、外型獨特等特點逐漸被各國研究人員所關(guān)注。球型機器人是非線性、多變量、強耦合的不穩(wěn)定系統(tǒng)的典型[1-2]，設計和研究球型機器人控制系統(tǒng)，即對非線性控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究具有較高的理論研究價值和實用價值。

1 控制系統(tǒng)硬件設計

本文設計的球型機器人實物如圖1所示，工作原理在文獻[3]中有詳細敘述，其中控制系統(tǒng)主要包括控制模塊、運動模塊、通信模塊以及電源模塊等[3]。

圖1 球型機器人實物圖

球型機器人控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)控制核心為單片機STM32F103C8T6；電源模塊提供12V、5V和3.3V的電壓；電機為12V直流無刷電機，電機驅(qū)動器為TB6612，通過旋轉(zhuǎn)編碼器測量球體的速度；陀螺儀采用MPU-6050六軸傳感器來測量球體的傾角和角速度，舵機型號為RDS3120MG；通信模塊由藍牙HC-05及安卓手機APP組成。硬件電路設計過程中采用模塊化的設計方法，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖2 球型機器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1.1 控制模塊設計

控制模塊主要包括電源電路、控制芯片STM32F103C8T6、晶振電路、復位電路和下載調(diào)試接口等電路。STM32最小系統(tǒng)電路圖如圖3所示。

STM32單片機外部的8MHz晶振，經(jīng)內(nèi)部倍頻產(chǎn)生72MHz工作頻率。STM32單片機采用低電平復位方式，當NRST為低電平時，單片機復位；當NRST為高電平時，單片機正常工作[4]。調(diào)試下載電路采用SWD接口。

圖3 STM32最小系統(tǒng)電路

1.2 電源模塊設計

球型機器人電源模塊電路圖如圖4所示，為減少電源模塊間的相互干擾，各模塊獨立設計。整個控制系統(tǒng)共有3種電源：1)12V鋰電池，給系統(tǒng)提供12V電源，同時向電機提供12V電源；2)12V電壓經(jīng)過LM2596-5.0轉(zhuǎn)換成5V電壓，如圖4(a)所示，給舵機供電；3)5V電壓經(jīng)AMS1117-3.3轉(zhuǎn)換成3.3V，如圖4(b)所示，給STM32單片機和MPU6050六軸傳感器、藍牙模塊HC-05及相關(guān)外圍設備供電。

圖4 電源模塊電路圖

1.3 運動模塊設計

本項目中使用TB6612FNG微型雙路直流電機驅(qū)動模塊。電機自帶編碼器，實現(xiàn)力矩、速度以及點位控制，完成球型機器人前進、后退以及速度控制。TB6612FNG內(nèi)部集成了2個H橋電機驅(qū)動電路、6個控制信號輸入端(其中2個為PWM控制信號輸入端、4個為方向信號輸入端)，可同時控制球型機器人2個電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和制動。為防止因電機堵轉(zhuǎn)而燒壞驅(qū)動器，在電機驅(qū)動器的接地端串聯(lián)一個0.1Ω封裝2512的貼片電阻。TB6612FNG電機驅(qū)動電路如圖5所示。

圖5 TB6612FNG電機驅(qū)動電路圖

球型機器人轉(zhuǎn)向動作由舵機RDS3120MG完成，此舵機具有位置(角度)伺服驅(qū)動功能，滿足球形機器人的轉(zhuǎn)向要求。通過設置單片機PB0端口的PWM占空比值來控制舵機偏轉(zhuǎn)角，從而實現(xiàn)球型機器人的轉(zhuǎn)向控制。

1.4 姿態(tài)檢測模塊設計

姿態(tài)檢測模塊選用MPU-6050六軸傳感器，其電路原理圖如圖6所示，該模塊集成了3軸微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system，MEMS)陀螺儀和3軸MEMS加速度計，以及一個可擴展的數(shù)字運動處理器(digital motion processor，DMP)。MPU-6050六軸傳感器與單片機采用I2C通信方式，SDA引腳接單片機PB9口作為I2C數(shù)據(jù)線；SCL引腳接單片機PB8口作為I2C時鐘線。另外，MPU-6050六軸傳感器內(nèi)部有200Hz方波信號發(fā)生器，該方波信號發(fā)生器產(chǎn)生5ms的工作周期，作為單片機外部中斷信號源[5]。當產(chǎn)生外部中斷時，單片機進入中斷，并讀取MPU-6050六軸傳感器中的各姿態(tài)參數(shù)值，此參數(shù)值通過卡爾曼濾波、增量式PID控制算法修正后發(fā)送給球體的控制單元，實時調(diào)整球體姿態(tài)，控制球體在運動過程中的自身平衡。

圖6 MPU-6050電路原理圖

1.5 通信模塊設計

藍牙HC-05模塊有主、從體2種工作模式，既可發(fā)送數(shù)據(jù)也可接收數(shù)據(jù)。這里選用從體工作模式，僅接收從安卓手機APP發(fā)來的數(shù)據(jù)。藍牙通信電路原理圖如圖7所示。單片機串口與HC-05模塊相連；單片機引腳PIO11接開關(guān)K1和下拉電阻，當K1閉合時控制進入AT指令模式；PIO8引腳接LED，當LED燈亮時，表示單片機與藍牙通信正常，可以通過安卓手機APP發(fā)信息至單片機串口，從而實現(xiàn)藍牙通信。

圖7 藍牙通信電路圖

2 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

因球型機器人控制系統(tǒng)具有非線性、不穩(wěn)定的特點，相應的軟件設計就成為了關(guān)鍵。根據(jù)系統(tǒng)要求，軟件主要任務是完成系統(tǒng)的初始化設置、球體姿態(tài)信息采集、卡爾曼濾波、角速度檢測、電機雙閉環(huán)PID控制以及藍牙通信等。系統(tǒng)軟件流程如圖8所示。由于篇幅限制，在此重點介紹球形機器人的雙閉環(huán)PID控制和藍牙通信。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

2.1 雙閉環(huán)PID控制

當球型機器人運動時，球體姿態(tài)隨之改變，為了保證球體自身平衡，需設計相應的控制方法，這里采用工程實踐中應用最為廣泛的增量式PID控制算法，分別設計球體的姿態(tài)PID控制和球體速度PID控制。

2.1.1 球體姿態(tài)PID控制

球體姿態(tài)檢測采用MPU-6050六軸傳感器裝置，該裝置將陀螺儀傳感器和加速度傳感器集成一體。由于陀螺儀和加速度計在測量時存在噪聲干擾和隨機漂移誤差，故采用卡爾曼濾波算法對測量數(shù)據(jù)進行融合，算出球體傾角的最優(yōu)估計值[6-7]。將最優(yōu)估計值通過I2C通信協(xié)議發(fā)送給單片機；然后經(jīng)姿態(tài)控制算法增量式PID調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后得到的參數(shù)來調(diào)整電機PWM的占空比值。球體姿態(tài)增量式PID控制的設計子程序流程圖如圖9所示。為了確保球型機器人平穩(wěn)行走,不傾倒，必須實時調(diào)節(jié)球體姿態(tài)偏角，保證球體重心在垂直方向被限制在一定夾角內(nèi)。

圖9 球體姿態(tài)PID控制子程序流程圖

2.1.2 球體速度PID控制

球體速度PID閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖10所示，給定轉(zhuǎn)速信號與反饋轉(zhuǎn)速信號比較后的轉(zhuǎn)速變化量送給速度控制器PID，通過PWM1控制電機轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)控制[8]。

圖10 球型機器人速度閉環(huán)PID系統(tǒng)框圖

速度PID控制子程序流程圖如圖11所示。當球體運動時，霍爾元件對電機AB相測速，單片機定時器中斷，每10ms對編碼器進行一次檢測，獲取角速度數(shù)值，經(jīng)增量式PID調(diào)節(jié)，最終使角速度達到期望值，實現(xiàn)球體勻速運動，達到穩(wěn)定控制效果。速度增量式PID部分程序如圖12所示。

圖11 速度PID控制子程序流程圖

2.2 藍牙通信

球型機器人的控制指令僅通過手機APP發(fā)給球型機器人控制單元。當藍牙模塊接收到手機APP發(fā)送的控制指令后，將該指令轉(zhuǎn)發(fā)到單片機的串口3，單片機串口3的波特率設置為9600 bps，1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗[4]。當中斷標志位為“1”時，單片機進入中斷，等待接收藍牙HC-05模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)；當單片機接收數(shù)據(jù)之后，接收標志位為“1”，單片機停止接收新的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)算法優(yōu)化，然后將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)發(fā)給球型機器人控制單元。部分藍牙數(shù)據(jù)通信接收程序如圖13所示，串口中斷函數(shù)為void USART3_IRQHandler(void)。

圖12 速度增量式PID部分程序

圖13 部分藍牙數(shù)據(jù)接收程序

3 結(jié)束語

本文設計的球型機器人控制系統(tǒng)，可自主調(diào)整球型機器人行走過程中的姿態(tài)，確保行走平穩(wěn)，解決了球型機器人運動過程中自平衡能力差的問題。本文的實現(xiàn)方案對設計和研究非線性、多變量、強耦合的控制系統(tǒng)具有一定的借鑒作用，為非線性系統(tǒng)的控制提供了一種解決方法。但是，目前的研究工作僅通過較為經(jīng)典的增量式PID控制算法來驗證實現(xiàn)方案的可行性，要真正在非線性系統(tǒng)中體現(xiàn)控制算法的價值，還需要繼續(xù)研究其他控制算法在非線性系統(tǒng)的應用，才能更好地利用控制算法優(yōu)化非線性控制系統(tǒng)。