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基于STM32的双轮机器人控制系统研究与设计

作　者: 张志强
导　师: 库少平
学　校: 武汉理工大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 双轮机器人控制系统 STM32 陀螺仪加速计 μCOS-Ⅱ Kalman滤波 PID
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 343次
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内容摘要

自美国发明家Dean Kamen于1995年发明设计了第一台平衡机器人Segway以来,平衡机器人便受到人们极大的关注。它的特点是两个车轮共轴,可差动运动,依照倒立摆原理达到动态平衡。但是平衡车发展到现在,它的应用领域仅限于交通领域,而且价格不菲。此外,由于平衡机器人是一个非线性、不稳定的系统,处于平衡状态时,需要不断调整车轮的扭矩,这样系统就会处于耗电状态,一旦电量不足就会失去平衡。因此,如何使平衡机器人在功能丰富的同时降低成本,以及如何节约宝贵的电池电量成为了本文重点研究的课题。为此,本文提出了基于STM32的双轮机器人,对控制系统重新设计,它的特点是在不需要工作的时候,可遥控关闭系统,使系统处于休眠状态,达到节能的目的。需要工作的时候可遥控启动系统,平衡机器人可借助机械臂自动恢复平衡。在功能扩展方面,增加了LCD显示,并将开源实时操作系统μCOS-Ⅱ应用到了平衡机器人中,为今后其它功能扩展留有了很大的余地。成本控制方面,选用了性价比较高的元器件,满足平衡机器人的性能的同时达到成本低廉的目的。本文具体完成的工作主要体现在以下几个方面。1)使用四个舵机,将其中两个舵机改造成伺服电机驱动平衡机器人的两个车轮,另外两个舵机用于控制机械臂,恢复机器人的平衡。四个舵机统一受舵机控制器控制；2)设计了编码器,满足性能的基础上,最大限度上节约了成本；3)选用了性价比较高的加速计、陀螺仪、遥控收发器、LCD显示屏、舵机、舵机控制与微控制器,针对上述元器件分别绘制了原理图与PCB。搭建出平衡机器人的整个电路；4)为防止陀螺仪与加速计的信号在传输过程中受外界干扰,根据Kalman滤波的理论,编写了相应的代码进行滤波,并求出两者间角速度的最优值；5)为了获得理想的平衡控制效果,根据PID调节器的原理,编写了PID调节的代码；6)成功将实时操作系统μCOS-Ⅱ移植到了STM32上,在此基础之上设计并编写了平衡机器人的任务与中断服务程序的代码。在完成上述工作之后,笔者将平衡机器人与上位机之间通过仿真器ULINK-Ⅱ相连接,利用ARM开发工具RealView MDK集成的Trace功能对平衡机器人车身倾角做了跟踪实验。实验表明,本文的设计平衡机器人运行平稳,并能够实现自动恢复平衡的功能,达到了设计目的。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-14
  1.1 移动机器人概述  10
  1.2 国内外双轮平衡机器人的历史与现状  10-12
  1.3 课题的研究目的与意义  12-13
  1.4 本文的研究内容与组织结构  13
  1.5 本章小结  13-14
第2章平衡机器人的力学模型  14-18
  2.1 力学模型  14-16
  2.2 本章小结  16-18
第3章平衡机器人控制系统硬件设计  18-46
  3.1 控制系统硬件总体设计方案  18-19
  3.2 加速计  19-22
    3.2.1 加速计原理  19
    3.2.2 加速计MMA7260QT结构  19-20
    3.2.3 加速计参数分析与电路设计  20-22
  3.3 陀螺仪  22-25
    3.3.1 陀螺仪原理与特性  22-23
    3.3.2 陀螺仪ADXRS300结构  23-24
    3.3.3 陀螺仪参数分析与电路设计  24-25
  3.4 编码器  25-26
    3.4.1 编码器的作用  25
    3.4.2 编码器设计  25-26
  3.5 舵机与舵机控制器  26-29
    3.5.1 舵机原理  26-27
    3.5.2 舵机改造  27-28
    3.5.3 舵机控制器  28-29
  3.6 遥控器  29-34
    3.6.1 遥控器简介  29
    3.6.2 遥控器发射器参数分析与电路设计  29-32
    3.6.3 遥控器接收器参数分析与电路设计  32-34
  3.7 LCD显示屏  34-37
    3.7.1 ILI9320简介  34-35
    3.7.2 ILI9320参数分析与电路设计  35-37
  3.8 主控制器  37-44
    3.8.1 STM32简介  37-39
    3.8.2 STM32 ADC参数分析与电路设计  39-40
    3.8.3 STM32串口参数分析与设计  40-41
    3.8.4 STM32中断参数分析与设计  41-43
    3.8.5 平衡机器人总体电路设计  43-44
  3.9 机械臂的设计  44-45
  3.10 本章小结  45-46
第4章平衡机器人控制系统软件设计  46-65
  4.1 控制系统软件总体设计方案  46-47
  4.2 Kalman算法  47-53
    4.2.1 Kalman简介  48
    4.2.2 Kalman算法原理  48-50
    4.2.3 Kalman算法代码实现  50-53
  4.3 平衡算法  53-54
  4.4 PID算法  54-57
    4.4.1 PID算法原理  54-55
    4.4.2 PID算法代码实现  55-57
  4.5 实时操作系统μCOS-Ⅱ  57-63
    4.5.1 μCOS-Ⅱ简介  57-58
    4.5.2 μCOS-Ⅱ的重要概念  58-59
    4.5.3 μCOS-Ⅱ在STM32上的移植  59-63
  4.6 MDK简介  63-64
  4.7 结果分析  64
  4.8 本章小结  64-65
第5章总结与展望  65-66
参考文献  66-68
致谢  68-69
附录  69

基于STM32的双轮机器人控制系统研究与设计

内容摘要

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