專利名稱：獨輪機器人系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于智能機器人范疇，涉及一種能夠自主進行運動平衡控制進而 自主騎行獨輪車的靜態(tài)不平衡機器人及其運動平衡控制方法。
背景技術(shù)：
騎行獨輪車是人類(或者其他經(jīng)過專門訓(xùn)練的智能水平較高的動物)需 要較為高級的運動平衡技能才能完成的活動。這種能力需要經(jīng)過專門的學(xué)習(xí)、 訓(xùn)練才能夠具備。研究一種自主機器人，模仿人類這種高級的運動平衡技能 完成騎行獨輪車的任務(wù)， 一直是機器人領(lǐng)域里的一項任務(wù)。
獨輪機器人是模仿人騎獨輪自行車的活動，建立的機器人系統(tǒng)，具有很 高的仿生性，其出現(xiàn)是人工智能、智能控制、機械設(shè)計、機器人學(xué)等相關(guān)領(lǐng) 域互相融合、快速發(fā)展的結(jié)果。與一般的靜態(tài)平衡機器人不同，獨輪機器人 具有明顯的動態(tài)平衡特點，具有廣闊的應(yīng)用前景由于其本身特有的復(fù)雜平 衡控制問題，在科研、展示和娛樂領(lǐng)域可以作為極具特色的平臺和工具；利 用其動態(tài)平衡特性，將它引入復(fù)雜地形環(huán)境，進行運輸、營救和探測；利用 其外形纖細的特性將它用作監(jiān)控機器人，實現(xiàn)對狹窄地方的監(jiān)控；在航天領(lǐng) 域，基于單輪機器人的原理甚至可以開發(fā)一種運動自如的特殊月球車。
相比于一般的不需要運動平衡的靜態(tài)平衡機器人(如4輪移動式機器人)，
獨輪機器人具有以下顯著特點1)機器人的運動過程基礎(chǔ)是達到平衡狀態(tài)， 即機器人必須首先能夠穩(wěn)定直立，才能夠進行其他運動，并且這種運動平衡 過程是個動態(tài)過程；機器人在平衡點附近不停地變化進行調(diào)節(jié)以保持平衡。 這雖然增加了機器人的控制難度，但也同時使其可以完成許多復(fù)雜的運動平 衡任務(wù)；2)由于只有一個輪子，獨輪機器人硬件上要更簡捷，更輕，運動 上也更靈活；3)若在機器人上身機構(gòu)上加入機械臂，靈巧手，頭部等后，機 器人能夠以一種特有的動態(tài)平衡的方式實現(xiàn)相應(yīng)的任務(wù)，如在極窄的路徑上 騎行，騎過很窄的平衡木、原地轉(zhuǎn)身，甚至可以完成走鋼絲的高難度動作。
現(xiàn)有的獨輪機器人多為簡單的執(zhí)行層控制結(jié)構(gòu)，即機器人的本體上僅有 驅(qū)動和控制的基本功能，沒有完善的宏觀規(guī)劃和視覺功能等，或者是將需要 處理的的信息傳送到上位計算機進行處理的方式，而機器人本身沒有處理這些信息的能力，例如日本村田制作所開發(fā)的騎獨輪車的機器人"村田少女"，
身高50cm，體重5kg，速度為5cm/s。在控制方面，左右方向(側(cè)傾)通過豎 直方向轉(zhuǎn)動機器人體內(nèi)配備的慣性輪來保持左右平衡。而前后方向(俯仰) 上，則通過身體內(nèi)的電機以鏈傳動方式轉(zhuǎn)動獨輪車的車輪來保持平衡。在檢 測方面，為了控制前后方向和左右方向的平衡，在四個方向上分別配備了一 個該公司的傾斜檢測陀螺傳感器。此外，還配備了用來檢測障礙物的超聲波 傳感器、用來收發(fā)控制指令等的藍牙模塊、陶瓷振蕩器、檢測溫度的NTC熱 敏電阻等村田制作所產(chǎn)品。但是"她"沒有能夠執(zhí)行任務(wù)的機械臂和靈巧手、 仍舊是本體沒有處理復(fù)雜信息的能力而是通過傳送到上位機進行處理、傳動 方式為鏈?zhǔn)絺鲃?，較為復(fù)雜、沒有可以靈活擴展的調(diào)試用腳輪組件、檢測方 面僅有四個單軸陀螺，會產(chǎn)生角度積分偏移問題，最終導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定等。
發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明設(shè)計了一種能夠騎行獨輪車的機器人本體，并且 提出了獨輪機器人的運動平衡控制方法。利用該機器人系統(tǒng)不僅可以作為一 種開放式智能機器人研究開發(fā)平臺，為控制科學(xué)、機器人學(xué)、人工智能等領(lǐng) 域的研究和教學(xué)提供實驗對象，還可以成為娛樂、展示的極具特色的工具。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明釆取了如下技術(shù)方案
獨輪機器人系統(tǒng)，包括機械本體和控制系統(tǒng)；機械本體下部為一個可前 后轉(zhuǎn)動的獨輪14，在獨輪14四周套有一個可上下調(diào)節(jié)的調(diào)試支架13，機械本
體中間含有一個水平放置的，可左右轉(zhuǎn)動的慣性飛輪17;控制系統(tǒng)由狀態(tài)感 知傳感器、運動控制器10和伺服驅(qū)動控制器以及電源系統(tǒng)構(gòu)成，其中，狀態(tài) 感知傳感器包括姿態(tài)傳感器和速度傳感器。運動控制器10接收狀態(tài)感知傳感 器的信號，在控制程序下將接收信號進行處理，從而發(fā)出控制指令，伺服驅(qū) 動控制器接收控制指令，通過獨輪電機12和飛輪電機18控制獨輪14和慣性飛 輪17轉(zhuǎn)動，對機器人的姿態(tài)平衡作出調(diào)整。
在調(diào)試支架13下面，前后左右各設(shè)置有一個可拆卸的腳輪15。 系統(tǒng)中的慣性飛輪17為雙對可拆卸結(jié)構(gòu)，由兩個飛輪并列組成，每個飛 輪由兩個半圓結(jié)合而成。
系統(tǒng)中的姿態(tài)傳感器為三軸慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和兩軸傾角儀；所述速度傳感器為安裝在獨輪電機12和飛輪電機18中的編碼器，且該編碼器帶有可進行溫 度補償調(diào)整的溫度傳感器。
本發(fā)明中機器人的機械本體包括鋁合金框架構(gòu)成的剛性機器人軀干；模 塊化設(shè)計的二維云臺構(gòu)成的機器人頭頸部；可拆卸的機械臂6;接于機械臂6 端部的多指機械手7;由垂直安裝的下運動平衡組件和上平衡組件構(gòu)成的總體 平衡控制結(jié)構(gòu)，其中，下運動平衡組件為調(diào)試支架13及獨輪電機12，上平衡 組件為慣性飛輪17及飛輪電機18;控制系統(tǒng)的硬件支持作為姿態(tài)傳感器的 傾角儀19和陀螺儀20，作為速度傳感器的安裝于驅(qū)動機構(gòu)尾端的編碼器，作 為運動控制器10的MTS2812數(shù)字信號處理器板卡，兩個作為伺服驅(qū)動控制器 的伺服驅(qū)動器ACJ-55-18，作為電源系統(tǒng)的電源板卡5和充電電池模塊9。
本機器人的感知傳感器還有安裝在機器人頭部的由雙攝像頭構(gòu)成的視覺 傳感器l、 MIC構(gòu)成的聽覺傳感器和位于雙攝像頭之間的紅外線傳感器2，以及 安裝在機器人腰部一周的聲納傳感器ll、遙控接收器；所述控制系統(tǒng)還有由 單片機(MCU)構(gòu)成的接收聲納傳感器ll、遙控接收器信號的輔助控制器和 由嵌入式計算機(EPC)系統(tǒng)構(gòu)成的接收視覺傳感器l、紅外線傳感器2、聽覺 傳感器信號的主控制器3，該主控制器3可以接收運動控制器10和輔助控制器 的信息，進一步為運動控制器10提供控制指令，并能通過音箱16發(fā)聲。
本機器人的腳輪主要用于機器人靜態(tài)時的支撐和固定，當(dāng)機器人運動時 需要拆除腳輪或?qū)⒛_輪調(diào)高。機器人運動的控制方法如下
1) 主控制器3按照設(shè)定的程序或接收來自遙控的用戶操作指令，及監(jiān)測各 傳感器反饋信息，通過運動行為決策算法計算機器人的直行和偏航速度 的控制命令，下達給運動控制器10執(zhí)行；其決策算法由以下步驟完成
動作發(fā)生器參考用戶命令或超聲波測距信息計算出期望直行和偏航速度 控制命令，然后決策器根據(jù)機器人姿態(tài)平衡的狀況判斷是否執(zhí)行期望控 制命令，若姿態(tài)平衡狀況良好，則期望控制命令即為實際控制命令，若
姿態(tài)平衡狀況不佳，則實際控制命令為零，即先調(diào)整機器人平衡；其中， 動作發(fā)生器的設(shè)計可選查表、動態(tài)規(guī)劃或?qū)＜蚁到y(tǒng)算法；決策器的設(shè)
計可選查表、模糊邏輯或?qū)＜蚁到y(tǒng)算法；
2) 在一個運動控制周期內(nèi)，運動控制器10讀取機器人底座上的傾角儀19、 陀螺儀20的反饋信號，與零位值比較得出傾角和傾角速度的誤差信號；其中的反饋信號由以下方法獲得運動控制器10多次采集傾角儀19和 陀螺儀20的輸出信號，并經(jīng)過DSP信號處理算法形成一個控制周期計算 所用的反饋信號；
3) 運動控制器10讀取電機編碼器的反饋信號，計算機器人速度，與主控制 器3給定的控制命令對比得出誤差信號；
4) 根據(jù)誤差信號，運動控制器10按預(yù)定的運動平衡控制算法計算電機的控
制量，發(fā)送給伺服驅(qū)動控制器執(zhí)行；其運動平衡控制算法為利用解耦 控制的思想，將獲得的傾角AngleFB、 AngleLK信號和傾角速度AngleAccFB、 AngleAcc^信號分解到機器人的俯仰自由度方向和左右自由度方向，然后
利用既定的PID控制算法，或者模糊控制，或者LQR，或者極點配置算法， 或者魯棒控制算法，或者其他控制算法計算得到所需的控制量Uu、 UD， 然后將控制量分別用以控制獨輪電機M。、慣性飛輪電機Mu ;
5) 伺服驅(qū)動控制器控制獨輪電機12、飛輪電機18帶動調(diào)試支架13中的獨 輪14、上運動平衡組件中的慣性飛輪17，使機器人維持機身平衡以及按 指定方式運動；其中，通過電機電樞電流反饋閉環(huán)，實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)矩控 制，且伺服控制周期遠小于機器人運動控制周期。
當(dāng)調(diào)試支架13中拆除前后腳輪15，并使獨輪14和左右腳輪15在同一水平 線，機器人成為倒立擺，其控制方法服從倒立擺控制方法，也可以采用上述 的控制方法。當(dāng)調(diào)試支架13中拆除左右腳輪15，將前后腳輪換橫裝腳輪，并使 獨輪14和前后腳輪15在同一水平線，使機器人成為能夠自主騎行自行車的機 器人，其控制也可以采用上述的控制方法。
本發(fā)明中的機器人可以簡化成如下最小結(jié)構(gòu)只保留機械本體中的機器
人軀干、總體平衡控制結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)的硬件支持中的傾角儀19、陀螺儀20、
編碼器，MTS2812數(shù)字信號處理器板卡、兩個伺服驅(qū)動器ACJ-55-18、電源
板卡5和充電電池模塊9。最小結(jié)構(gòu)機器人的控制方法只針對運動控制器10和
伺服驅(qū)動控制器，其控制程序分別運行在運動控制器10和獨輪、飛輪伺服驅(qū)
動控制器4、 8中，用于機器人前后左右的平衡。運動控制器10和伺服驅(qū)動控
制器的控制程序分別如下
(1)運動控制器10中的程序
程序開始時，首先進行必要的初始化，完成程序使用的變量的初始化和配置DSP各寄存器狀態(tài)，主要配置控制中所需的I/O端口和A/D通道、 通用定時器T1-T4，其中T1為中斷周期計時器，T2、 T4為編碼器的計 數(shù)器，T3為PWM信號輸出的比較計時器；然后，開啟PWM輸出，向 伺服驅(qū)動控制器發(fā)送使能信號；最后，進行無限循環(huán)等待中斷到來，在 每次循環(huán)中實施控制程序的檢測和控制算法；
每當(dāng)Tl計時滿25ms時產(chǎn)生中斷，DSP響應(yīng)該中斷，保存當(dāng)前程序 現(xiàn)場，轉(zhuǎn)入定時中斷程序，其流程(控制程序)為
1) 關(guān)閉定時器T1中斷，準(zhǔn)備開始；
2) 獲取編碼器信息。每個編碼器輸出信號為兩組正交編碼序列，DSP中的 正交編碼脈沖電路對這兩組信號的上升沿和下降沿均進行計數(shù)，因此產(chǎn) 生的時鐘頻率是每組輸入序列的四倍，所以讀取通用定時器T2、 T4的 計數(shù)器數(shù)值后，除以四，得到一個周期內(nèi)編碼器輸出的脈沖數(shù)""，％
3) 計算機器人的累積直線位移、直線速度由編碼器信息可知一周期內(nèi)每 個輪子轉(zhuǎn)過的角度p".2;r/1000/26，由于控制周期r很短(25ms)，可近 似計算輪子轉(zhuǎn)速"=^/7\其直線速度^=化/ /2，其中i 為輪子半徑，由
于控制周期r很短，因此將p:與r相乘累加到上個控制周期的累積直線位 移得到當(dāng)前累積直線位移，即x(o"(卜r)+r/;
4) 對傾角儀19輸出的模擬電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換和信號獲取為避免采 樣過程中偶然因素的影響，每個信號均連續(xù)采樣10次，進行A/D轉(zhuǎn)換， 去掉其中最大值和最小值后求均值賦給對應(yīng)的變量、、^、 &、 C/4，
通過公式P=(t4-其中e是計算得到的某個自由度上的傾角，
Ue是計算得到的電壓均值，U。是零位電壓，S,是傾角儀19的靈敏度，
計算出對應(yīng)機器人的傾斜角度；
5) 通過SPI端口直接獲得前后自由度傾角和左右自由度傾角的傾角速度信
號"
6) 以控制命令Xe為參考輸入，以檢測到的x、 K、《、A、《、4為反饋量，
通過運動平衡控制算法計算出兩個電機控制轉(zhuǎn)矩對應(yīng)PWM的占空比， 其中，轉(zhuǎn)矩絕對值范圍
(Nm)，對應(yīng)占空比為0~100%，大于等于零時為正轉(zhuǎn)，小于零時為反轉(zhuǎn)；運動平衡控制其算法為
i. 根據(jù)機器人的機械系統(tǒng)的特點和參數(shù)，建立其數(shù)學(xué)模型，在直立 平衡點線性化獲得線性狀態(tài)空間方程^AX + Bu 其中，X4《,S，必,;7,44^W, u = [r, r ]T，俯仰方向傾角《、俯仰 方向傾角速度^、左右方向傾角《、左右方向傾角速度4， 《為輪 子旋轉(zhuǎn)的角度，力為輪子旋轉(zhuǎn)的角速度，7為慣性飛輪17旋轉(zhuǎn)的
角度，々為慣性飛輪17角速度，11.m.
A =
0 0 0 0
24.9770 0 0
0 0 0 1 0 0 0
0 0 0 0 1 0 0
0 0 0 0 0 1 0
0 0 0 0 0 0 1
0 0 0 0 0 0 0
60.9590 0 0 0 0 0 0
—108.3715 0 0 0 0 0 0
B =
0 0 0 0 0
-14,3988 40.4128
0 0 0 0
-1.4159 0 0
-24.9770000000 0」 [_0 134.7493_
通過求得俯仰運動子系統(tǒng)與側(cè)傾運動子系統(tǒng)的能控矩陣均滿秩， 證明兩者完全能控，系統(tǒng)各狀態(tài)值又均可測量獲得， 利用解耦控制的思想，將整個機器人系統(tǒng)的傾角控制任務(wù)分為俯 仰自由度的傾角控制和左右自由度的傾角控制器，因此以《、《分
別為兩個子系統(tǒng)參考輸入，狀態(tài)《、^ G = ",d;)，即兩個自由度
的傾角，為反饋量，構(gòu)造運動平衡控制系統(tǒng)，并采用PID控制方
法設(shè)計內(nèi)環(huán)的兩個傾角控制子系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制器PID控制 參數(shù)采用臨界震蕩法獲得，具體為
'《;=6000
《"=3 側(cè)
內(nèi)環(huán)俯仰自由度控帝IJ:
《=20000 C = 20000
自由度控帝IJ:
《=5200
用同樣的方法獲得機器人的位移控制外閉環(huán)的PID控制參數(shù):
13外環(huán)x控制:
k; = 0.02 ^ = o
《=0.148
7) 刷新輸出至伺服驅(qū)動的PWM占空比和電機轉(zhuǎn)動方向；
8) 設(shè)置計時器T1，重新開始25ms計時，設(shè)置T2、 T4，重新開始計數(shù)；
9) 開T1中斷，退出中斷控制程序；
(2)伺服驅(qū)動控制器的控制程序
在伺服驅(qū)動器ACJ-55-18配套PC端的軟件COPLEY MOTION2中，通過輸 入直流電機參數(shù)能夠自動計算伺服程序的PI調(diào)節(jié)參數(shù)，簡單設(shè)置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 后即可自動生成伺服控制程序，并通過串口下載固化至ACJ-55-18的存儲單元 中，該伺服程序控制周期lms，以DSP輸出的PWM信號和轉(zhuǎn)向信號分別為電機 參考轉(zhuǎn)矩和參考轉(zhuǎn)向，取電樞電流為負反饋，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩PID伺服控制。
與現(xiàn)有的靜態(tài)平衡機器人(如四輪移動式機器人)相比，本發(fā)明提供了 一種控制平臺，除了機器人學(xué)，還涉及控制科學(xué)和智能控制領(lǐng)，可滿足多學(xué) 科科研教學(xué)的需要，并且具有以下優(yōu)點
1) 兩個自由度的耦合使得系統(tǒng)的非線性和不確定性增加，更加適合非 線性控制、魯棒控制、智能控制和學(xué)習(xí)控制的研究。本發(fā)明的可調(diào) 式調(diào)試支架不僅可以根據(jù)機器人調(diào)試的需要改變腳輪15的支撐高 度，而且可以將其中一個自由度方向的腳輪15拆除，使機器人相當(dāng) 于三輪一線式移動倒立擺，或者兩輪自平衡機器人。
2) 控制系統(tǒng)可分為主控制器3、運動控制器IO、伺服驅(qū)動控制器三層級 另ij，符合生物分級控制結(jié)構(gòu)，各級控制器各司其職，使得機器人的 處理能力和智能水平有所提高，能夠有效進行各種復(fù)雜控制算法、 運動控制技能及其他智能行為的學(xué)習(xí)等的運算。
3) 機器人結(jié)構(gòu)采用模塊化的設(shè)計思想，最小系統(tǒng)以為的組件都可以拆 卸更換，這為系統(tǒng)的維護、升級以及用戶根據(jù)需求進行柔性組裝提 供了極大的方便。如可增設(shè)視覺傳感系統(tǒng)和語音處理系統(tǒng)，可運行視覺識別、語音識別功能；可配備遙控系統(tǒng)和避障系統(tǒng)，使得機 器人具有遙控操作和自主避障運行的雙重模式。
圖1為獨輪機器人的機械結(jié)構(gòu)主視圖2為獨輪機器人的機械結(jié)構(gòu)側(cè)視圖3為獨輪機器人的電氣系統(tǒng)原理圖4為獨輪機器人的運動控制器主程序流程圖5為獨輪機器人最小系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)連線圖6為獨輪機器人的運動控制系統(tǒng)框圖7為獨輪機器人最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主視圖。
圖中1、視覺傳感器，2、紅外線傳感器，3、主控制器，4、飛輪伺服
驅(qū)動控制器，5、電源板卡，6、機械臂，7、機械手，8、獨輪伺服驅(qū)動 控制器，9、充電電池模塊，10、運動控制器，11、聲納傳感器，12、獨 輪電機，13、調(diào)試支架，14、獨輪，15、腳輪，16、音箱，17、慣性飛 輪，18、飛輪電機，19、傾角儀，20、陀螺儀。
具體實施例方式
下面結(jié)合附l-圖7對本發(fā)明進行詳細說明
本發(fā)明的自主騎行獨輪車的機器人系統(tǒng)包括機械本體和電氣系統(tǒng)(控制 系統(tǒng))，其中機械本體的總體結(jié)構(gòu)為
軀干鋁合金支架構(gòu)成的剛性機器人本體設(shè)計。
頭頸部二維云臺的模塊化設(shè)計，機器人可上下俯仰、左右轉(zhuǎn)動頭部。 機械臂6:為了完成某些具體任務(wù)，使用能夠進行復(fù)雜操作的、模塊化 的可拆卸機械臂。
機械手7:具有能夠操作的、可更換的、模塊化多指機械手來完成任務(wù)。 總體平衡控制結(jié)構(gòu)下運動平衡組件(下軸系組件)和上平衡組件(下 軸系組件)垂直安裝結(jié)構(gòu)。
設(shè)計原則模塊化的總體設(shè)計思想，每個組件都是一個整體，可以方便 地拆卸、更換，例如機器人的頭部，可以安裝帶雙目視覺、聽覺以及音箱16 的具有二維自由度的模塊化頭部，也可以安裝具有單目視覺功能的模塊化頭部。二者的更換只需要拆下固定頭部的四個螺釘，然后換上新的模塊化頭部
即可。機械臂6、機械手7、聲納傳感器ll等均為模塊化設(shè)計，替換、拆卸 等都極為簡單。不同的模塊只要符合接口標(biāo)準(zhǔn)就可以完全通用。慣性飛輪17、 獨輪14、調(diào)試支架13等全部設(shè)計為可以拆卸、更換，或者變換高度；電機 功率大小可更換，預(yù)留更換空間。
機械本體包括8個主要組件
1. 機器人底座組件安裝有姿態(tài)傳感器(包括傾角儀19、陀螺儀20)。
2. 腰部組件安裝有充電電池模塊9，和聲納傳感器ll。
3. 上身組件安裝有組織級主控制器3: EC3-1811工控機、控制級運 動控制器10: MTS2812數(shù)字信號處理器板卡、控制級輔助控制器 MPCE061A開發(fā)板、飛輪和獨輪伺服驅(qū)動控制器兩個伺服驅(qū)動器 ACJ-55-18、電源板卡5、以及USB轉(zhuǎn)串口通信模塊Visual USB—RS232模塊。
4. 下運動平衡組件(下軸系組件)包括獨輪14、獨輪電機12、減速 器、編碼器(速度傳感器)、以及滾珠軸承等。獨輪14可前后向設(shè)置
(獨輪14的轉(zhuǎn)軸呈左右向)，實現(xiàn)了機器人前進方向的騎行運動和平 衡控制。
5. 上平衡組件(上軸系組件)包括慣性飛輪17、飛輪電機18、減速 器、編碼器(速度傳感器)、以及滾珠軸承等。實現(xiàn)機器人左右方向 的平衡控制。慣性飛輪17水平安裝(其轉(zhuǎn)動軸在豎直方向)。慣性飛 輪為雙對可拆卸結(jié)構(gòu)，當(dāng)一種慣性飛輪不滿足控制要求或者需要更換 其他飛輪進行相關(guān)實驗時，可將其拆卸，然后安裝上需要的飛輪，在 這個過程中不需要將上軸系拆下。這樣就有效增加了系統(tǒng)的靈活性。
6. 頭部組件可安裝視覺傳感器1、發(fā)聲裝置(音箱16)、轉(zhuǎn)動和俯仰 自由度控制舵機、二維云臺的機器人脖子等。
7. 機械臂組件設(shè)計有四自由度機械臂6。
8. 靈巧手組件在機械臂6端部設(shè)計有三指的九自由機械手7。 其中，1、 2、 3項構(gòu)成了機器人軀干，1、 2、 3、 4、 5項構(gòu)成了機器人的
基本結(jié)構(gòu)。電氣系統(tǒng)主要分為感覺系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，電源系統(tǒng)三個系統(tǒng)。
感覺系統(tǒng)是機器人的"眼睛"，"耳朵"等獲取外界信息的組件，主要包括: 視覺傳感器l、紅外線傳感器2、聲納傳感器ll、姿態(tài)傳感器、速度傳感器、 聽覺傳感器、遙控接收。
視覺傳感器1用于檢測機器人前方的視覺圖像，采集圖像信息傳送至大 腦(組織級)進行處理；
紅外線傳感器2——檢測前方有無人類活動。本實施例中紅外線傳感器 為紅外微型人體感應(yīng)模塊KT-0003B。
聲納傳感器11——安裝在機器人腰部的超聲波傳感器11相當(dāng)于蝙蝠的 嘴和耳朵，當(dāng)它們工作時，機器人能夠利用該傳感器測得周圍物體的距離。 從而可以組成聲納壁障系統(tǒng)，進而完成避障任務(wù)；
姿態(tài)傳感器——傾角儀19和陀螺儀20，傾角儀19用于檢測機器人相對 于豎直位置的俯仰傾角、左右傾角。陀螺儀20用于檢測機器人三軸傾角速度。 二者為機器人提供了重要的自身狀態(tài)信息。
速度傳感器是安裝于電機尾端的光電編碼器或者磁編碼器。速度傳感器 將速度信號轉(zhuǎn)化為電信號傳送到運動控制器10。本實施例中采用磁編碼器作 為速度傳感器。
聽覺傳感器——接收聲音信號，例如人的語音信號等。本實施例中聽覺 傳感器采用MIC，集成于攝像頭上。
遙控接收——接收遙控器臨時發(fā)出的指令。
控制系統(tǒng)是機器人的神經(jīng)中樞，它利用感覺系統(tǒng)提供的信號進行各種處 理和映射，最終得到機器人的各種實時動作指令。它主要包括機器人的驅(qū)動 級的肌肉(伺服驅(qū)動控制器及電機)，控制級的小腦控制中樞神經(jīng)系統(tǒng)(運動 控制器)和組織級的大腦神經(jīng)中樞系統(tǒng)(主控制器)。其中，飛輪、獨輪電機 及其伺服驅(qū)動控制器相當(dāng)于系統(tǒng)的肌肉；數(shù)字信號處理器(DSP)——平衡 和動作控制中樞和輔助管理系統(tǒng)相當(dāng)于系統(tǒng)的小腦控制中樞神經(jīng)系統(tǒng)，即運 動控制器10和輔助控制器；工業(yè)控制計算機(EC3-1811)作為宏觀規(guī)劃和 管理中樞相當(dāng)于機器人的大腦神經(jīng)中樞，即主控制器3。電源系統(tǒng)相當(dāng)于機器人的消化系統(tǒng)，它為機器人提供了思考和動作的所
有能源。電源系統(tǒng)主要由電源板卡5和充電電池模塊9組成。
主控制器3為嵌入式計算機(EPC)系統(tǒng)，如EC3-1811工控機。 運動控制器10選用數(shù)字信號處理器(DSP)系統(tǒng)。 輔助控制器選用單片機(MCU)、 DSP或其他嵌入式系統(tǒng)。 伺服驅(qū)動控制器選用伺服驅(qū)動器ACJ-55-18。
飛輪、獨輪電機可選用直流力矩電機、帶減速器的直流有刷電機或直流 無刷電機。
電源系統(tǒng)充電電池模塊9選用鋰電池LBS-100C、電源板卡5選用 PW4512。
所述電氣系統(tǒng)的連接關(guān)系為主控制器3與運動控制器10、輔助控制器、
輸入輸出設(shè)備連接；運動控制器10與傾角儀19、陀螺儀20、編碼器、伺服 驅(qū)動控制器相連接；輔助控制器與超聲波傳感器和遙控接收器(與輔助控制 器一體安裝)連接；視覺傳感器l、紅外傳感器、聽覺傳感器(MIC)、音箱 16 (發(fā)聲裝置)與主控制器3的輸入輸出連接；充電電池模塊9經(jīng)電源板卡 5給各電氣設(shè)備供電。
如圖4所示，機器人運動控制方法主控制器3接收來自輸入設(shè)備(遙 控接收器)的用戶操作指令；監(jiān)測各傳感器反饋信息；定時參照用戶操作指 令和傳感器反饋信息，通過運動行為決策算法計算機器人的直行和偏航速度 控制命令，下達給運動控制器10執(zhí)行；在一個運動控制周期內(nèi)，運動控制器 10讀取機器人底座上的傾角儀19、陀螺儀20的反饋信號，與零位值比較得 出傾角和傾角速度的誤差信號；運動控制器10讀取電機上編碼器的反饋信 號，計算機器人直行和偏航速度，與主控制器3給定的控制命令對比得出誤 差信號；根據(jù)誤差信號，運動控制器10按預(yù)定的運動平衡控制算法計算電機 的控制量，發(fā)送給伺服驅(qū)動控制器執(zhí)行；伺服驅(qū)動控制器控制飛輪、獨輪電 機運動，電機帶動慣性飛輪18、獨輪14運動，使機器人維持機身平衡以及 按指定方式運動，其中
主控制器3接收的用戶指令，既可以是即時指令，如遙控器鍵入等，也 可以是預(yù)存的指令，如程序存儲的動作順序表等；既可以是動作指令，如前進、轉(zhuǎn)彎等，也可以是任務(wù)式指令，如自主避障運行等；
主控制器3通過與運動控制器10通信間接獲取傾角儀19、陀螺儀20和
編碼器的反饋信息，通過與輔助控制器通信間接獲取超聲波傳感器反饋信息
和遙控輸入的指令；
主控制器3的運動行為決策算法為首先，動作發(fā)生器參考用戶命令或
超聲波測距信息計算出期望直行和偏航速度控制命令，然后決策器根據(jù)機器 人姿態(tài)平衡的狀況判斷是否執(zhí)行期望控制命令，若姿態(tài)平衡狀況良好，則期 望控制命令即為實際控制命令，若姿態(tài)平衡狀況不佳，則實際控制命令為零，
即先調(diào)整機器人平衡；動作發(fā)生器的設(shè)計可選查表、動態(tài)規(guī)劃、專家系統(tǒng) 等算法；決策器的設(shè)計可選査表、模糊邏輯、專家系統(tǒng)等算法。
運動控制器10通過模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換和SPI端口多次采集傾角儀19和 陀螺儀20的輸出信號，并經(jīng)過濾波等信號處理算法形成一個控制周期計算所 用的反饋信號。
運動控制器10的運動平衡控制算法為利用解耦控制的思想，將獲得 的傾角AngleFB 、 Angle^信號和傾角速度AngleAccFB 、 AngleAcc^信號分解到機 器人的俯仰自由度方向和左右自由度方向，然后利用既定的PID控制算法， 或者模糊控制，或者LQR，或者極點配置算法，或者魯棒控制算法，或者其 他控制算法計算得到所需的控制量Uu、 U。，然后將控制量分別用以控制獨 輪電機14、飛輪電機18運動。
伺服驅(qū)動控制器通過電機電樞電流反饋閉環(huán)，實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)矩控制，伺 服控制周期遠小于機器人運動控制周期。
以上控制方法適用于拆除所有腳輪，只有獨輪的情況；也適用于拆除前 后腳輪的情況。當(dāng)拆除前后腳輪時，本系統(tǒng)為倒立擺，可以采用倒立擺的控 制方法，也可以采用上述控制方法。
下面介紹本發(fā)明最小系統(tǒng)實施例。(最小系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖7所示) 一、機器人的硬件
l.電氣系統(tǒng)選型
運動控制器10選用颶風(fēng)數(shù)字系統(tǒng)(北京)有限公司MSK2812系統(tǒng)板。該系統(tǒng)的處理器采用TI公司TMS320F2812 DSP，系統(tǒng)為5V直流供電。
MSK2812的仿真器選用颶風(fēng)數(shù)字系統(tǒng)(北京)有限公司的XDS510USB， USB2.0接口。伺服驅(qū)動控制器選用Copley Motion公司的伺服驅(qū)動器 ACJ-55-18。傾角儀19選用Crossbow公司的CXTA-02雙軸傾角儀。陀螺儀 20選用Analog Device公司的ADIS16355三軸慣導(dǎo)系統(tǒng)。
機器人的驅(qū)動電機(獨輪電機12和飛輪電機18)選用Maxon公司的直流無 刷電機套件EC32， 24V供電，80W功率，19 0:1的行星齒輪減速器GP32C，電 機配有增量式光電編碼器，精度為500線。
充電電池模塊9選用LBS-100C標(biāo)準(zhǔn)鋰電池，標(biāo)稱電壓29.6V，工作范圍 33.6V-24V，標(biāo)稱容量150Wh,保護電路內(nèi)置過充、過放、過流及短路保護， 集成電量監(jiān)控。
電源板卡5選用華北工控的PW-4512電源模塊，給控制器及其他電子設(shè)備 供電，輸入電壓16-40VDC,輸出電壓ATX: +3.3V@5A， +5V/+5VSB@5A， +12V@5A，國12V劍.8A,
2. 機械結(jié)構(gòu)與電氣元件布局
本實施例總重量8kg，高度520mm,寬度300mm，長度220mm，獨輪 14的直徑210mm。機器人的機械結(jié)構(gòu)和電器元件布局如下
如圖7所示，整個機器人為鋁合金框架，分為底座，腰部，上身三層。 各部分均為前后左右敞口的立柱支撐結(jié)構(gòu)，便于各種電子器件的安裝和上身 電機組件的固定。各個部分的接口板均為具有中空和加固立環(huán)結(jié)構(gòu)的鋁合金 方形板。上身上胸腔的外部前立面，利用亞克力板固定運動控制器IO和電源 板卡9，右立面固定飛輪伺服驅(qū)動控制器4。中間空出充足的空間，在前后立 柱上加裝電機固定板，用以在機器人的上身中心位置安裝上慣性飛輪組件。 下胸腔右立面利用亞格力隔板固定下軸系驅(qū)動器(調(diào)試支架13中的獨輪14)。 中間有類似人類的胸腔隔膜(中空和加固立環(huán)結(jié)構(gòu)的鋁合金方形加固板)。腰 部與胸腔的加固板上固定充電電池模塊9 (LBS-100C標(biāo)準(zhǔn)鋰電池)。底座的 主固定板中心裝傾角儀19和陀螺儀20。底座的豎裝支架上固定有調(diào)試支架 13，調(diào)試支架13下面的前后左右裝有四個腳輪15。
3. 電氣系統(tǒng)連接如圖5所示，電氣系統(tǒng)各部分的連接方法如下
MSK2812板由PW-4512電源模塊的+5V輸出供電，它的J7接口的36， 35腳，即A/D轉(zhuǎn)換輸入通道，38， 39腳，即SPI引腳，分別與傾角儀CXTA02 和陀螺儀ADIS16355的SPI信號輸出端連接；陀螺儀ADIS16355由MSK2812 的J7接口提供+5V輸出供電；傾角儀CXTA02則由PW-4512電源模塊的24V 輸出供電。
MSK2812與兩個伺服驅(qū)動器ACJ-55-18間的連接包括控制信號線和編 碼器反饋信號線?？刂菩盘柊姍C使能信號、電機轉(zhuǎn)動方向信號和PWM 轉(zhuǎn)速控制量信號。其中，MSK2812的J5接口的3、 7腳分別與控制飛輪、獨 輪電機的伺服驅(qū)動器ACJ-55-18的J5接口的3腳連接，作為伺服驅(qū)動器 ACJ-55-18的使能信號線；MSK2812的J5接口的5、 1腳分別與控制飛輪、 獨輪電機ACJ-55-18的J5接口的6腳連接，作為電機轉(zhuǎn)動方向選擇信號線； MSK2812的J7接口 17、 18腳為PWM輸出，分別與控制飛輪、獨輪電機的 伺服驅(qū)動器ACJ-55-18的J5接口的20腳連接，作為轉(zhuǎn)速控制量信號線。飛 輪、獨輪電機編碼器的反饋信號經(jīng)伺服驅(qū)動器ACJ-55-18緩存后連接至 MSK2812，具體接線為飛輪、獨輪電機的伺服驅(qū)動器ACJ-55-18的J5接口的 10、 11腳，分別接MSK2812的J7接口的27、 28腳和J6接口的13、 14腳。
兩個伺服驅(qū)動器ACJ-55-18的J3接口的3、 4腳為電源輸入端，分別接 電源輸出的+24V和GND; J2接口的3、 4腳為控制電壓的輸出端，分別與 電機的+/-輸入端連接，其中3腳與電機+輸入端之間串接一個電機開關(guān)；J4 接口的4、 6分別為+5V和GND，分別與編碼器排線的2、 3線連接，J4接 口的l、 8、 2、 9、 3、 IO腳為編碼器A通道、B通道和零位信號的共模輸入 端，分別接編碼器排線的5、 6、 7、 8、 9、 10線。
LBS-100C標(biāo)準(zhǔn)鋰電池經(jīng)一個雙刀雙擲的船型開關(guān)與PW-4512電源模塊 連接。PW-4512電源模塊的+/-輸入端連接1^8-100(:標(biāo)準(zhǔn)鋰電池的+/-端，提 供士12r，土5r,+3.3r直流輸出，分別連接各對應(yīng)設(shè)備的供電端。 4.電氣系統(tǒng)的工作原理
本實施例機器人的主要功能是在保持機身俯仰姿態(tài)平衡和左右姿態(tài)平衡 的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)控制機器人實現(xiàn)前后向的運動。由此，機器人電氣系統(tǒng)
21的工作原理如圖3所示機器人的運動控制器10得到傾角儀19、陀螺儀20
的反饋信號，經(jīng)過伺服驅(qū)動控制器中繼讀取編碼器反饋信號，然后，綜合接 收到得控制命令和反饋信號，按預(yù)定的運動平衡控制算法計算出電機的轉(zhuǎn)矩
控制量，發(fā)送對應(yīng)的PWM信號給伺服驅(qū)動控制器執(zhí)行；獨輪伺服驅(qū)動控制
器8控制獨輪電機12運動，獨輪電機12帶動獨輪14保持機器人前后方向的 平衡并且實現(xiàn)前后方向的運動。飛輪伺服驅(qū)動控制器4控制飛輪電機18旋轉(zhuǎn) 運動，飛輪電機18帶動慣性飛輪17使機器人維持機身左右方向的平衡。 二、機器人系統(tǒng)的運動控制方法
本實施例給出獨輪機器人的前進運動模式控制系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)，其他如 機器人智能行為決策、語音操作等控制功能可以參考本實施例軟件，添加相 應(yīng)硬件和軟件模塊進行設(shè)計。
整個控制系統(tǒng)由兩部分軟件實現(xiàn)，分別運行在運動控制器10和伺服驅(qū) 動控制器中。
l.運動控制器中的控制軟件(其原理如圖6)
運動控制器10的程序采用TI公司的CCS軟件開發(fā)，并固化在存儲單元 中。程序以25ms定時中斷的方式實現(xiàn)機器人姿態(tài)平衡和運動的實時控制。 本實施例給出主程序算法流程，涉及到DSP的資源配置、使用，可直接參考 TI公司為TMS320F2812 DSP提供的例程。
主程序開始時，首先進行必要的初始化，完成程序使用的變量的初始化 和配置DSP各寄存器狀態(tài)，主要配置控制中所需的IO端口和A/D通道、通 用定時器T1-T4 (設(shè)置并開啟T1為中斷周期計時器，T2、 T4為編碼器的計 數(shù)器，T3為PWM信號輸出的比較計時器)。然后，開啟PWM輸出，向伺 服驅(qū)動控制器發(fā)送使能信號；最后，進行無限循環(huán)等待中斷到來，在每次循 環(huán)中實施主程序流程圖中的檢測和控制算法。
每當(dāng)Tl計時滿25ms時產(chǎn)生中斷，DSP響應(yīng)該中斷，保存當(dāng)前程序現(xiàn)場， 轉(zhuǎn)入定時中斷程序。如圖11所示，定時中斷程序(主控制程序)的流程為
Stepl:關(guān)閉定時器T1中斷，準(zhǔn)備開始。
Step2:獲取編碼器信息。每個編碼器輸出信號為兩組正交編碼序列， DSP中的正交編碼脈沖電路對這兩組信號的上升沿和下降沿均進行計數(shù)，因此產(chǎn)生的時鐘頻率是每組輸入序列的四倍，所以讀取通用定時器T2、 T4的 計數(shù)器數(shù)值后，需要除以四，才能得到一個周期內(nèi)編碼器輸出的脈沖數(shù) ，
Step3:計算機器人的累積直線位移、直線速度。由編碼器信息可知一周 期內(nèi)每個輪子轉(zhuǎn)過的角度p-".2;r/1000/26，由于控制周期r很短(25ms)，可 近似計算輪子轉(zhuǎn)速6^一r。其直線速度^=".^/2，其中i 為輪子半徑。由于
控制周期7l艮短，因此將^;與r相乘累加到上個控制周期的累積直線位移得到
當(dāng)前累積直線位移，即x")-x(卜r)+FJ。
Step4:對傾角儀19輸出的模擬電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換和信號獲取。為 避免采樣過程中偶然因素的影響，每個信號均連續(xù)采樣10次，進行A/D轉(zhuǎn) 換，去掉其中最大值和最小值后求均值賦給對應(yīng)的變量^、 ^、 ^、、。
計算底盤和軀干的傾斜角度和傾斜角速度。通過公式P = (t^-t/。)/&，其中
e是計算得到的某個自由度上的傾角，Ue是計算得到的電壓均值，U。是零位 電壓，S,是傾角儀19的靈敏度，計算出對應(yīng)機器人的傾斜角度。
Step5:通過SPI端口直接獲得前后自由度傾角和左右自由度傾角的傾角
速度信號3。
Step6:以控制命令xe為參考輸入，以檢測到的x、 k、 a、 a、《、》2為
反饋量，通過運動平衡控制算法計算出兩個電機控制轉(zhuǎn)矩對應(yīng)PWM的占空
比。其中，轉(zhuǎn)矩絕對值范圍
(Nm)，對應(yīng)占空比為0~100%，大于等于
零時為正轉(zhuǎn)，小于零時為反轉(zhuǎn)。
Step7:刷新輸出至伺服驅(qū)動控制器的PWM占空比和電機轉(zhuǎn)動方向。 Step8:設(shè)置計時器T1，重新開始25ms計時，設(shè)置T2、 T4，重新開始計數(shù)。
Step9:開T1中斷，退出中斷控制程序。
Step6中提到的運動平衡控制算法為如圖10所示，系統(tǒng)采用雙閉環(huán)的 控制結(jié)構(gòu)，首先最外環(huán)是位置(位移)控制器《，^根據(jù)位置誤差和位移控 制算法，計算出直線位移控制量^， ^作為內(nèi)環(huán)的控制給定，傳遞給內(nèi)環(huán) -傾角控制器A， ^利用測得的現(xiàn)有俯仰方向傾角《、俯仰方向傾角速度A、左右方向傾角《、左右方向傾角速度4，通過耦合算法計算得到電機控制轉(zhuǎn) 矩[、^]T;位移控制器的設(shè)計選用PID控制算法；傾角控制器也采用廣泛 應(yīng)用的PID控制算法。整個控制系統(tǒng)構(gòu)成雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。
具體控制算法實施過程為首先，根據(jù)機器人的機械系統(tǒng)的特點和參數(shù)， 建立其數(shù)學(xué)模型，在直立平衡點線性化獲得線性狀態(tài)空間方程
X = AX + Bu
其中，X =[《,a,ffl,7^24,A々f， u = [rd r ]T，俯仰方向傾角《、俯仰方向傾 角速度^、左右方向傾角《、左右方向傾角速度《，w為輪子旋轉(zhuǎn)的角度，A 為輪子旋轉(zhuǎn)的角速度，^為慣性飛輪17旋轉(zhuǎn)的角度，々為慣性飛輪17角速度。
A =
0 0 0 0 1 0 0 0
0 0 0 0 0 1 0 0
0 0 0 0 0 0 1 0
0 0 0 0 0 0 0 1
24.9770 0 0 0 0 0 0 0
0 60.95卯 0 0 0 0 0 0
0 -108.3715 0 0 0 0 0 0
—24.9770 0 0 0 0 0 0 0
B =
0 0 0 0 0
-14,3988 40,4128 0
0 0 0 0
-1,4159 0 0
134.7493
其次，通過求得俯仰運動子系統(tǒng)與側(cè)傾運動子系統(tǒng)的能控矩陣均滿秩， 證明兩者完全能控，系統(tǒng)各狀態(tài)值又均可測量獲得。
再利用解耦控制的思想將整個機器人系統(tǒng)的傾角控制任務(wù)分為俯仰自 由度的傾角控制和左右自由度的傾角控制器。因此以《、《分別為兩個子系
統(tǒng)參考輸入，狀態(tài)《、5, = 即兩個自由度的傾角，為反饋量，構(gòu)造
圖15中運動平衡控制系統(tǒng)，并采用PID控制方法設(shè)計內(nèi)環(huán)的兩個傾角控制 子系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制器
采用臨界震蕩法獲得具體的PID控制參數(shù)為-
內(nèi)環(huán)俯仰自由度控制:
《;=60oo
iq = 5200
自由度控制:
《;;=200oo
"=20000
用同樣的方法獲得機器人的位移控制外閉環(huán)的PID控制參數(shù)-外環(huán)x控制:
k; = 0.02
7C = 0
司=0.148
從而構(gòu)成整個控制系統(tǒng)，給定控制目標(biāo)為機器人前行10米，即圖16中 的控制目標(biāo)為10米(IO米處的直線)，控制過程中傾角的變化如圖15，實際 位移見圖16中的過(0， 0)點的曲線。 2.伺服驅(qū)動控制器的軟件
在伺服驅(qū)動器ACJ-55-18配套的PC端軟件COPLEY MOTION2中，通 過輸入直流電機參數(shù)能夠自動計算伺服程序的PI調(diào)節(jié)參數(shù)，簡單設(shè)置控制系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)后即可自動生成伺服控制程序，并通過串口下載固化至ACJ-55-18的 存儲單元中。該伺服程序控制周期lms，以DSP輸出的PWM信號和轉(zhuǎn)向信 號分別為電機參考轉(zhuǎn)矩和參考轉(zhuǎn)向，取電樞電流為負反饋，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩PID 伺服控制。
三、機器人系統(tǒng)的使用
使用本實施例的機器人時，可按如下步驟操作
1. 安裝硬件
2. 安裝電氣系統(tǒng)
3. 確認硬件和電氣系統(tǒng)連接正確。
4. 將主電源的船型開關(guān)撥至"開"。
5. 將機器人扶穩(wěn)至直立位置。
6. 打開電機開關(guān)，機器人開始平衡控制。
7. 待機器人在直立位置上穩(wěn)定后，不再扶持。
8. 扶穩(wěn)機器人后依次關(guān)閉電機開關(guān)、主電源開關(guān)。
2權(quán)利要求
1.獨輪機器人系統(tǒng)，包括機械本體和控制系統(tǒng)；機械本體包括鋁合金框架構(gòu)成的剛性機器人軀干，模塊化設(shè)計的二維云臺構(gòu)成的機器人頭頸部，可拆卸的機械臂(6)，接于機械臂(6)端部的多指機械手(7)，由垂直安裝的下運動平衡組件和上平衡組件構(gòu)成的總體平衡控制結(jié)構(gòu)，其中，下運動平衡組件為獨輪(14)及獨輪電機(12)，上平衡組件為慣性飛輪(17)及飛輪電機(18)；控制系統(tǒng)由狀態(tài)感知傳感器、運動控制器(10)和兩個伺服驅(qū)動控制器以及電源系統(tǒng)構(gòu)成，其中，狀態(tài)感知傳感器包括姿態(tài)傳感器和速度傳感器，運動控制器(10)接收狀態(tài)感知傳感器的信號，在控制程序下將接收信號進行處理，從而發(fā)出控制指令，兩個伺服驅(qū)動控制器接收控制指令，分別通過獨輪電機(12)和飛輪電機(18)控制獨輪(14)和慣性飛輪(17)轉(zhuǎn)動，對機器人的姿態(tài)平衡作出調(diào)整；其特征在于所述慣性飛輪(17)是水平放置的，可左右轉(zhuǎn)動；在獨輪(14)四周套有一個可上下調(diào)節(jié)的調(diào)試支架(13)，在調(diào)試支架(13)下面，前后左右各設(shè)置有一個可拆卸的腳輪(15)。
2. 如權(quán)利要求1所述的獨輪機器人系統(tǒng)，其特征在于所述慣性飛輪(17) 為雙對可拆卸結(jié)構(gòu)，由兩個飛輪并列組成，每個飛輪由兩個半圓結(jié)合而 成。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的獨輪機器人系統(tǒng)，其特征在于所述姿態(tài)傳感器為傾角儀(19)和陀螺儀(20);所述速度傳感器為安裝在獨輪電機(12) 和飛輪電機(18)中的編碼器；所述運動控制器(10)為MTS2812數(shù)字 信號處理器板卡；所述伺服驅(qū)動控制器為伺服驅(qū)動器ACJ-55-18;所述電 源系統(tǒng)為電源板卡(5)和充電電池模塊(9)
4. 如權(quán)利要求3所述的獨輪機器人系統(tǒng)，其特征在于所述編碼器中帶有 可進行溫度補償?shù)臏囟葌鞲衅鳌?br>
5. 如權(quán)利要求3所述的獨輪機器人系統(tǒng)，其特征在于所述感知傳感器還 有安裝在機器人頭部的由雙攝像頭構(gòu)成的視覺傳感器(1)、 MIC構(gòu)成的 聽覺傳感器和位于雙攝像頭之間的紅外線傳感器(2)，以及安裝在機器 人腰部一周的聲納傳感器(11)、遙控接收器；所述控制系統(tǒng)還有由單片 機(MCU)構(gòu)成的接收聲納傳感器(11)、遙控接收器信號的輔助控制器和由嵌入式計算機(EPC)系統(tǒng)構(gòu)成的接收視覺傳感器(1)、紅外線傳感 器(2)、聽覺傳感器信號的主控制器(3)，該主控制器(3)可以接收運 動控制器(10)和輔助控制器的信息，進一步為運動控制器(10)提供 控制指令，并能通過音箱(16)發(fā)聲。
6. 如權(quán)利要求5所述的獨輪機器人系統(tǒng)，其特征在于拆除調(diào)試支架(13) 的前后腳輪(15)，并使獨輪(14)和左右腳輪(15)在同一水平線。
7. 如權(quán)利要求5所述的獨輪機器人系統(tǒng)，其特征在于拆除調(diào)試支架(13) 的左右腳輪(15)，并使獨輪(14)和前后腳輪(15)在同一水平線。
8. 如權(quán)利要求5或6或7所述的獨輪機器人系統(tǒng)的控制方法，其控制方法 如下-1) 主控制器(3)按照設(shè)定的程序或接收來自遙控的用戶操作指令，及監(jiān) 測各傳感器反饋信息，通過運動行為決策算法計算機器人的直行和偏 航速度的控制命令，下達給運動控制器(10)執(zhí)行；其決策算法由以 下步驟完成動作發(fā)生器參考用戶命令或超聲波測距信息計算出期望 直行和偏航速度控制命令，然后決策器根據(jù)機器人姿態(tài)平衡的狀況判 斷是否執(zhí)行期望控制命令，若姿態(tài)平衡狀況良好，則期望控制命令即 為實際控制命令，若姿態(tài)平衡狀況不佳，則實際控制命令為零，即先 調(diào)整機器人平衡；其中，動作發(fā)生器的設(shè)計可選查表、動態(tài)規(guī)劃或 專家系統(tǒng)算法；決策器的設(shè)計可選査表、模糊邏輯或?qū)＜蚁到y(tǒng)算法；2) 在一個運動控制周期內(nèi)，運動控制器(10)讀取機器人底座上的傾角 儀(19)、陀螺儀(20)的反饋信號，與零位值比較得出傾角和傾角速 度的誤差信號；其中的反饋信號由以下方法獲得運動控制器(10) 多次采集傾角儀(19)和陀螺儀(20)的輸出信號，并經(jīng)過DSP信號 處理算法形成一個控制周期計算所用的反饋信號；3) 運動控制器(10)讀取電機編碼器的反饋信號，計算機器人速度，與 主控制器(3)給定的控制命令對比得出誤差信號；4) 根據(jù)誤差信號，運動控制器(10)按預(yù)定的運動平衡控制算法計算電機的控制量，發(fā)送給伺服驅(qū)動控制器執(zhí)行；其運動平衡控制算法為 利用解耦控制的思想，將獲得的傾角AngleFB、 Angle^信號和傾角速度AngleACCFB 、 AngleAcc^信號分解到機器人的俯仰自由度方向和左右自由 度方向，然后利用既定的PID控制算法，或者模糊控制，或者LQR，或者極點配置算法，或者魯棒控制算法，或者其他控制算法計算得到所 需的控制量Uu、 UD,然后將控制量分別用以控制獨輪電機M。、慣性 飛輪電機Mj5)伺服驅(qū)動控制器控制獨輪電機(12)、飛輪電機(18)帶動調(diào)試支架(13) 中的獨輪(14)、上運動平衡組件中的慣性飛輪(17)，使機器人維持 機身平衡以及按指定方式運動；其中，通過電機電樞電流反饋閉環(huán)， 實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)矩控制，且伺服控制周期遠小于機器人運動控制周期。
9. 如權(quán)利要求3所述的獨輪機器人系統(tǒng)，其特征在于只保留機械本體中 的機器人軀干、總體平衡控制結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)中的傾角儀(19)、陀螺儀(20)、編碼器，MTS2812數(shù)字信號處理器板卡、兩個伺服驅(qū)動器 ACJ-55-18、電源板卡(5)和充電電池模塊(9)。
10. 如權(quán)利要求9所述的獨輪機器人系統(tǒng)的控制方法，其特征在于其控制 程序分別運行在運動控制器(10)和伺服驅(qū)動控制器中，用于機器人前 后左右的平衡，運動控制器(10)和伺服驅(qū)動控制器的控制程序分別如下(1)運動控制器(10)中的程序 程序開始時，首先進行必要的初始化，完成程序使用的變量的初始化和配置DSP各寄存器狀態(tài)，主要配置控制中所需的I/O端口和A/D通道、 通用定時器T1-T4，其中T1為中斷周期計時器，T2、 T4為編碼器的計 數(shù)器，T3為PWM信號輸出的比較計時器；然后，開啟PWM輸出，向 伺服驅(qū)動控制器發(fā)送使能信號；最后，進行無限循環(huán)等待中斷到來，在 每次循環(huán)中實施控制程序的檢測和控制算法；每當(dāng)Tl計時滿25ms時產(chǎn)生中斷，DSP響應(yīng)該中斷，保存當(dāng)前程序 現(xiàn)場，轉(zhuǎn)入定時中斷程序，其流程(控制程序)為a) 關(guān)閉定時器T1中斷，準(zhǔn)備開始；b) 獲取編碼器信息。每個編碼器輸出信號為兩組正交編碼序列，DSP 中的正交編碼脈沖電路對這兩組信號的上升沿和下降沿均進行計數(shù)，因此產(chǎn)生的時鐘頻率是每組輸入序列的四倍，所以讀取通用定時器T2、 T4的計數(shù)器數(shù)值后，除以四，得到一個周期內(nèi)編碼器輸出的脈 沖數(shù)""，"JC)計算機器人的累積直線位移、直線速度由編碼器信息可知一周期內(nèi) 每個輪子轉(zhuǎn)過的角度^".2;r/1000/26，由于控制周期r很短(25ms)， 可近似計算輪子轉(zhuǎn)速"=—r，其直線速度r,必./ /2，其中i 為輪子半徑，由于控制周期r很短，因此將^與r相乘累加到上個控制周期的 累積直線位移得到當(dāng)前累積直線位移，即x(o=x( -r)+;d) 對傾角儀(19)輸出的模擬電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換和信號獲取為 避免采樣過程中偶然因素的影響，每個信號均連續(xù)采樣10次，進行 A/D轉(zhuǎn)換，去掉其中最大值和最小值后求均值賦給對應(yīng)的變量^、^、 ^、 ^，通過公式^=(t^-其中e是計算得到的某個自由度上的傾角，Ue是計算得到的電壓均值，U。是零位電壓，S,是 傾角儀(19)的靈敏度，計算出對應(yīng)機器人的傾斜角度；e) 通過SPI端口直接獲得前后自由度傾角和左右自由度傾角的傾角速度信號"f) 以控制命令J^為參考輸入，以檢測到的;c、 K、《、^、《、》2為反饋量，通過運動平衡控制算法計算出兩個電機控制轉(zhuǎn)矩對應(yīng)PWM的 占空比，其中，轉(zhuǎn)矩絕對值范圍
(Nm)，對應(yīng)占空比為0~100%， 大于等于零時為正轉(zhuǎn)，小于零時為反轉(zhuǎn)；運動平衡控制其算法為-i.根據(jù)機器人的機械系統(tǒng)的特點和參數(shù)，建立其數(shù)學(xué)模型，在直立 平衡點線性化獲得線性狀態(tài)空間方程i = AX+Bu 其中，X-[《,e一,;7,《4),;^， u = [~ r ]T，俯仰方向傾角《、俯仰方向傾角速度A、左右方向傾角《、左右方向傾角速度《，《為輪 子旋轉(zhuǎn)的角度，力為輪子旋轉(zhuǎn)的角速度，7為慣性飛輪(17)旋轉(zhuǎn) 的角度，々為慣性飛輪(17)角速度，<formula>formula see original document page 6</formula>通過求得俯仰運動子系統(tǒng)與側(cè)傾運動子系統(tǒng)的能控矩陣均滿秩， 證明兩者完全能控，系統(tǒng)各狀態(tài)值又均可測量獲得， 利用解耦控制的思想，將整個機器人系統(tǒng)的傾角控制任務(wù)分為俯 仰自由度的傾角控制和左右自由度的傾角控制器，因此以《、《分別為兩個子系統(tǒng)參考輸入，狀態(tài)《、5, G'= 即兩個自由度的傾角，為反饋量，構(gòu)造運動平衡控制系統(tǒng)，并采用PID控制方法設(shè)計內(nèi)環(huán)的兩個傾角控制子系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制器PID控制 參數(shù)采用臨界震蕩法獲得，具體為內(nèi)環(huán)俯仰自由度控制<formula>formula see original document page 6</formula>自由度控審U:用同樣的方法獲得機器人的位移控制外閉環(huán)的PID控制參數(shù):外環(huán)X控制:<formula>formula see original document page 6</formula>g) 刷新輸出至伺服驅(qū)動的PWM占空比和電機轉(zhuǎn)動方向；h) 設(shè)置計時器T1，重新開始25ms計時，設(shè)置T2、 T4，重新開始計數(shù);i) 開T1中斷，退出中斷控制程序；(2)伺服驅(qū)動控制器的控制程序在伺服驅(qū)動器ACJ-55-18配套PC端的軟件COPLEY MOTION2中，通過輸入直流電機參數(shù)能夠自動計算伺服程序的PI調(diào)節(jié)參數(shù)，簡單設(shè)置 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)后即可自動生成伺服控制程序，并通過串口下載固化至 ACJ-55-18的存儲單元中，該伺服程序控制周期lms，以DSP輸出的PWM 信號和轉(zhuǎn)向信號分別為電機參考轉(zhuǎn)矩和參考轉(zhuǎn)向，取電樞電流為負反饋， 實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩PID伺服控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及獨輪機器人系統(tǒng)及其控制方法，屬于智能機器人范疇，涉及一種能夠自主進行運動平衡控制進而自主騎行獨輪車的靜態(tài)不平衡機器人及其運動平衡控制方法。本發(fā)明包括機身及其平衡探測和控制系統(tǒng)，其特征在于機身下部為一個可前后轉(zhuǎn)動的獨輪；機身中間含有可左右轉(zhuǎn)動的水平放置的慣性飛輪；平衡探測和控制系統(tǒng)由運動控制器及與其連接的姿態(tài)探測器、伺服驅(qū)動控制器組成。其中，運動控制器10接收姿態(tài)傳感器的信號，按照控制程序?qū)邮招盘栠M行處理，進而發(fā)出控制指令通過伺服驅(qū)動控制器控制電機對機器人的姿態(tài)平衡作出調(diào)整。本發(fā)明提供了一種控制平臺，除了機器人學(xué)，還涉及控制科學(xué)和智能控制領(lǐng)域，可滿足多學(xué)科科研、教學(xué)的需要。
文檔編號B25J5/00GK101623865SQ200910088709
公開日2010年1月13日 申請日期2009年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月8日
發(fā)明者于乃功, 任紅格, 李欣源, 王啟源, 王昱峰, 胡敬敏, 阮曉鋼 申請人:北京工業(yè)大學(xué)