將機器人整體開源，同時總結(jié)一下機器人搭建進程中遇到的坑跟將來的改善標的目的。正在分享的文件里包括了結(jié)構(gòu)設(shè)計、程序控制、電路設(shè)計和其他模塊相關(guān)材料供各人參考。
機器人原理剖析
該機器人依據(jù)陀螺儀的位姿數(shù)據(jù)，經(jīng)由過程三個全向輪驅(qū)動底部球體調(diào)劑本人正在球上的地位，連結(jié)動態(tài)平衡的同時實現(xiàn)齊向挪動。
連結(jié)動態(tài)平衡進程須要對機器人停止運動學(xué)剖析，這里參考了均衡小車之家的運動學(xué)方程：
自均衡節(jié)制問題轉(zhuǎn)化為三步：輸入X、Y角度—控制器計較—輸出A、B、C機電轉(zhuǎn)速的節(jié)制模子。
控制器計劃
起首思量參考均衡車節(jié)制，球上自均衡機器人實質(zhì)上仍然是一個一階倒立擺問題。
這里參考了飛思卡爾豎立車的節(jié)制方式，采取串級PID控制器，外環(huán)PD角度環(huán)，內(nèi)環(huán)速率PI環(huán)。
因為我的驅(qū)動計劃取舍的是42步進機電，正在速率閉環(huán)的時間有些問題。畸形的直流電機+編碼器的節(jié)制計劃可以經(jīng)由過程編碼器將輪子的真實速率計算出來，從而跟控制器的幻想轉(zhuǎn)速作差，實現(xiàn)速率節(jié)制。
而我這里的速率閉環(huán)是經(jīng)由過程計較上一個時鐘周期時給步進機電的節(jié)制量，經(jīng)由過程運動學(xué)方程分化，失掉機器人的虛構(gòu)速率，與幻想轉(zhuǎn)速作差節(jié)制。我認為這類速率閉環(huán)方法仍是存在必然缺陷的，可是正在網(wǎng)上檢查論文的時間我發(fā)明有良多自均衡機器人皆是用42步進機電去實現(xiàn)速率閉環(huán)的，沒有曉得是甚么方式。
這里借可以好好思慮一下為何角度環(huán)要用PD節(jié)制，速率環(huán)要PI節(jié)制，角度環(huán)的P部門跟D部門對機器人節(jié)制有甚么影響？正在良多CSDN調(diào)試均衡車的博客中皆有注釋，這里便留給各人思慮了。
硬件及結(jié)構(gòu)設(shè)計
自均衡機器人的硬件清單有：
56mm全向輪45元/個
智能分揀機器人小黃人價格物流自動分揀機器人視頻42步進機電25/個
42步進閉環(huán)模塊59.8元/個
LM2596S降壓模塊20元
STM32F103C8T6-4飛控板59.8元
GY-521六軸陀螺儀25元
用到的模塊大抵如上所示，C8T6的價錢跟著比來芯片漲價直線回升，我白嫖了實驗室的兩塊板子，此刻購一塊其實太貴，可以等芯片價錢不變一些再購。其余開關(guān)排針等罕見元件不再贅述。
電路原理圖以下所示：
機器人利用solidworks計劃整體布局，底板可正在某寶定制6050太空鋁切割，藍色件為畸形3D打印件。
順序部門
正在keil5中開辟STM32。
控制程序采取定時器0.5ms按時中止的方法停止計較，每觸發(fā)兩次中止計較對機電節(jié)制一次，這里仍是推舉各人采取內(nèi)部中止讀取GY-521上的INT引腳的方法，節(jié)制計較周期。GY-521上的INT引腳每5ms觸發(fā)一次跳變，采取內(nèi)部中止的方法可以嚴厲保障讀取位姿數(shù)據(jù)與計較處置懲罰同步。
intTIM1_UP_IRQHandler{u8key_cal;if（TIM_GetITStatus（TIM1，TIM_IT_Update）！=RESET）{TIM_ClearITPendingBit（TIM1，TIM_IT_Update）;flag_target=！flag_target;key_cal=KEY_Scan;if//改正完畢{if//每讀取兩次陀螺儀節(jié)制一次{Read_DMP;//===讀取傾角scope;
return0;}}if//改正按鍵{Angle_Zero_X=Angle_Balance_X;Angle_Zero_Y=Angle_Balance_Y;key_cal=0;Flag_Stop=0;}if（key_cal==2||key_cal==3）//改正按鍵{Flag_Stop=1;//關(guān)閉速率環(huán)I積分key_cal=0;}Angle_Bias_X=Angle_Balance_X-Angle_Zero_X;
//獲得Y標的目的的誤差A(yù)ngle_Bias_Y=Angle_Balance_Y-Angle_Zero_Y;//獲得Y標的目的的誤差if//PID節(jié)制形式{Encoder_Analysis（Motor_A，Motor_B，Motor_C）;//正運動學(xué)剖析，失掉XY標的目的的速率Balance_Pwm_X=balance_X（Angle_Bias_X，Gyro_Balance_X）;
//X標的目的的傾角節(jié)制Balance_Pwm_Y=-balance_Y（Angle_Bias_Y，Gyro_Balance_Y）;//Y標的目的的傾角節(jié)制//if（++flag_target_2==4）//速率環(huán)頻次慢于加速度環(huán)可是借出加速度環(huán)//{Velocity_Pwm_X=velocity_X;
//X標的目的的速率節(jié)制Velocity_Pwm_Y=velocity_Y;//Y標的目的的速率節(jié)制//flag_target_2=0;//}Move_X=Balance_Pwm_X+Velocity_Pwm_X;
蜘蛛手分揀機器人慢動作//===X標的目的節(jié)制量累加Move_Y=Balance_Pwm_Y+Velocity_Pwm_Y;//===Y標的目的節(jié)制量累加Move_Z=0;Kinematic_Analysis（Move_X，Move_Y，Move_Z）;//順運動學(xué)剖析失掉ABC機電節(jié)制量}Motor_A=Target_A;//間接調(diào)節(jié)PWM頻次Motor_B=Target_B;//間接調(diào)節(jié)PWMMotor_C=Target_C;//間接調(diào)節(jié)PWM//以下皆是為了速率接連化處置懲罰防備漸變
ifMotor_A=motor_a_last;ifMotor_B=motor_b_last;if
Motor_C=motor_c_last;Xianfu_Pwm;Set_Pwm（Motor_A，Motor_B，Motor_C）;
Gyro_Balance_X_last=Gyro_Balance_X;Gyro_Balance_Y_last=Gyro_Balance_Y;
Gyro_Balance_Z_last=Gyro_Balance_Z;Angle_Balance_X_last=Angle_Balance_X;
Angle_Balance_Y_last=Angle_Balance_Y;Angle_Balance_Z_last=Angle_Balance_Z;
motor_a_last=Motor_A;motor_b_last=Motor_B;motor_c_last=Motor_C;}return0;}
關(guān)于機電節(jié)制，因為采取的驅(qū)動計劃是步進機電，調(diào)速的方法是轉(zhuǎn)變驅(qū)動步進機電的脈沖頻次。我這里取舍了三個定時器，靜態(tài)調(diào)節(jié)定時器的頻次，詳細方法是正在初始化時設(shè)定好定時器的預(yù)分頻系數(shù)psc的值，然后正在順序里靜態(tài)變動ARR寄存器的值，從而轉(zhuǎn)變定時器的按時頻次。
//這里以A機電的速率節(jié)制為例輸入為機電標的目的跟機電速率voidset_motorA_speed（u8dir，u16speed）{u32arr;arr=speed;TIM_ARRPreloadConfig;TIM3-》ARR=arr;//計數(shù)到10000正在歸零從頭計數(shù)TIM3-》CCR4=arr/2;//連結(jié)占空比為50%TIM_ARRPreloadConfig;TIM_Cmd;
if{GPIO_SetBits（GPIOA，GPIO_Pin_1）;}else{GPIO_ResetBits（GPIOA，GPIO_Pin_1）;}}
小車的運動學(xué)分化代碼實現(xiàn)以下，參考了均衡小車之家的代碼：
/**********************************************************函數(shù)功用：小車運動數(shù)學(xué)模型出口參數(shù)：XYZ三軸速率或許地位返回值：無***********************************************************/voidKinematic_Analysis（floatVx，floatVy，floatVz）
{Target_A=Vx+L_PARAMETER*Vz;Target_B=-X_PARAMETER*Vx+Y_PARAMETER*Vy+L_PARAMETER*Vz;Target_C=-X_PARAMETER*Vx-Y_PARAMETER*Vy+L_PARAMETER*Vz;}/*****************************************************************函數(shù)功用：小車運動正運動學(xué)剖析出口參數(shù)：ABC三個機電的速率返回值：無******************************************************************/voidEncoder_Analysis（floatVa，floatVb，floatVc）{compute_X=;compute_Y=;compute_Z=;}
其余代碼不全放出，可正在文末點擊“瀏覽原文”下載檢查。
總結(jié)與展望
球上自均衡機器人可以作為算法實驗平臺，輸入輸出流動，改換分歧控制器，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB停止剖析便可比力控制器機能。
團體認為布局有兩個改善標的目的，一方面參考以下論文：余義。單球驅(qū)動自均衡機器人位姿解算與控制系統(tǒng)研討［D］。武漢科技大學(xué)，2019。論文中采取的四足式驅(qū)動布局更有利于機器人自均衡節(jié)制。
另一方面可以增長球體跟機器人固定裝置，應(yīng)用機器布局將機器人與底部驅(qū)動球聯(lián)合成一個整體防備機器人跳輪等問題。同時驅(qū)動球關(guān)于機器人均衡的影響較大，最好仍是定制空心鋼球，然后噴漆增大摩擦力，最有利于機器人自均衡節(jié)制。
節(jié)制部門的改善，起首是節(jié)制原理，本文是針對樹立好的運動學(xué)方程停止剖析，經(jīng)由過程串級PID算法去實現(xiàn)自均衡運動。該機器人的節(jié)制問題實質(zhì)上是一階倒立擺問題，可以采取動力學(xué)建模的方法，經(jīng)由過程動力學(xué)剖析算出均衡須要的虛構(gòu)力矩，再對機電停止力矩節(jié)制。
其次是控制器，PID控制算法使用普遍但也有必然的缺陷，可以思量采取恍惚PID，ADRC自抗擾控制器，強化學(xué)習(xí)等智能控制算法對機器人自均衡停止節(jié)制。
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