專利名稱：基于兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制系統(tǒng)，具體涉及基于兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著移動(dòng)機(jī)器人研究不斷深入，其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，面臨的環(huán)境和任務(wù)也越來(lái)越復(fù)雜。有時(shí)機(jī)器人會(huì)遇到比較狹窄，而且有許多大轉(zhuǎn)角的工作場(chǎng)合，如何在這樣的環(huán)境里靈活快捷的執(zhí)行任務(wù)，成為人們頗為關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題。在移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用中，導(dǎo)航和定位是移動(dòng)機(jī)器人研究的兩個(gè)重要問(wèn)題隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，導(dǎo)航定位系統(tǒng)已經(jīng)從傳統(tǒng)的軍事、航天和航海等軍事領(lǐng)域向民用領(lǐng)域發(fā)展。車載導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展非常迅速，在機(jī)器人自主導(dǎo)航，電動(dòng)代步車和智能交通中得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)存在體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)遲緩、工作空間局限化的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)存在體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)遲緩、工作空間局限化的問(wèn)題，從而提出了基于兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)?；趦奢喿云胶庵亓Ω袘?yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)，所述的機(jī)器人控制系統(tǒng)包括控制器和車體，基于兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)包括第二編碼器、第一編碼器、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)、第一角度測(cè)量模塊、攝像頭、上位機(jī)、第一藍(lán)牙模塊、第二藍(lán)牙模塊、OLE顯示器、重力感應(yīng)控制器、第二角度測(cè)量模塊和觸摸按鍵模塊，觸摸按鍵模塊的方向控制信號(hào)輸出端與重力感應(yīng)控制器的方向控制信號(hào)輸入端連接，第二角度測(cè)量模塊控制器傾角信號(hào)輸出端與重力感應(yīng)控制器的控制器傾角信號(hào)輸入端連接，重力感應(yīng)控制器的顯示信號(hào)輸出端與OLE顯示器的顯示信號(hào)輸入端連接，重力感應(yīng)控制器的無(wú)線通信信號(hào)輸出端與第二藍(lán)牙模塊的無(wú)線通信信號(hào)輸入端連接，第一藍(lán)牙模塊用于接收第二藍(lán)牙模塊發(fā)射的無(wú)線信號(hào)；第一藍(lán)牙模塊的無(wú)線信號(hào)輸出端與上位機(jī)的無(wú)線信號(hào)輸入端連接；上位機(jī)的視頻信號(hào)輸入端與攝像頭的視頻信號(hào)輸出端連接，攝像頭用于采集車體前方的視頻信號(hào)；上位機(jī)的無(wú)線調(diào)整信號(hào)輸出端與第一藍(lán)牙模塊的無(wú)線調(diào)整信號(hào)輸入端連接；單片機(jī)采用無(wú)線通信接口與第一藍(lán)牙模塊進(jìn)行無(wú)線通信；第一角度測(cè)量模塊的車體傾角信號(hào)輸出端與單片機(jī)車體傾角信號(hào)輸入端連接，單片機(jī)的豎直方向傾角控制信號(hào)輸出端與第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的豎直方向傾角控制信號(hào)輸入端連接，單片機(jī)的豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)角控制信號(hào)輸出端與第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)角控制信號(hào)輸入端連接，第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)第一電機(jī)工作；第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)第二電機(jī)工作；第一編碼器用于米集第一電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)；第二編碼器用于采集第二電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)；第一編碼器的轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出端與單片機(jī)的第一轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入端連接，第二編碼器的轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出端與單片機(jī)的第二轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入端連接。單片機(jī)的型號(hào)為K60ARM Cortex_M4。重力感應(yīng)控制器的型號(hào)為STM32。第一角度測(cè)量模塊包括第一角加速度傳感器、第一加速度傳感器和第二角加速度傳感器；車體傾角信號(hào)包括車體沿豎直方向上的角速度信號(hào)、車體沿豎直方向的角加速度信號(hào)、車體沿豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)和車體沿豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)，第一角加速度傳感器用于采集車體沿豎直方向上的角速度信號(hào)，并將該車體沿豎直方向上的角速度信號(hào)發(fā)送至單片機(jī)，第一加速度傳感器用于采集車體沿豎直方向的角加速度信號(hào)和車體沿豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)，并將車體沿豎直方向的角加速度信號(hào)和車體沿豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)同時(shí)發(fā)送至單片機(jī)，第二角加速度傳感器用于采集車體沿豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)，并將該車體沿豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)發(fā)送至單片機(jī)。第二角度測(cè)量模塊包括第三角加速度傳感器、第二加速度傳感器和第四角加速度傳感器；控制器傾角信號(hào)包括控制器相對(duì)于水平面前后方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)、控制器相對(duì)于水平面前后方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)、控制器相對(duì)于水平面左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)和控制器相對(duì)于水平面左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)，第三角加速度傳感器用于采集控制器相對(duì)于水平面前后方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)，并將該控制器相對(duì)于水平面前后方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)發(fā)送至重力感應(yīng)控制器，第二加速度傳感器用于采集控制器相對(duì)于水平面前后方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)和控制器相對(duì)于水平面左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)，并將控制器相對(duì)于水平面前后方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)和控制器相對(duì)于水平面左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)同時(shí)發(fā)送至重力感應(yīng)控制器，第四角加速度傳感器用于采集控制器相對(duì)于水平面左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)，并將該控制器相對(duì)于水平面左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)發(fā)送至重力感應(yīng)控制器。第一角加速度傳感器、第二角加速度傳感器、第三角加速度傳感器和第四角加速度傳感器均采用ENC-03芯片。第一加速度傳感器和第二加速度傳感器均采用MMA7361芯片。本發(fā)明采用兩輪自平衡車其體積減小了 50%、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)靈活，適于在狹小和危險(xiǎn)空間工作，在民用和軍事上有著廣泛的應(yīng)用前景。且重力感應(yīng)控制器將運(yùn)動(dòng)或重力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，主要用于傾斜角、慣性力、沖擊及震動(dòng)等參數(shù)的測(cè)量。


圖1為本發(fā)明所述的基于兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為具體實(shí)施方式
四所述的第一角度測(cè)量模塊8的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為具體實(shí)施方式
五所述的第二角度測(cè)量模塊15的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一、結(jié)合圖1具體說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的基于兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)，所述的機(jī)器人控制系統(tǒng)包括控制器和車體，基于兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)包括第二編碼器1、第一編碼器2、第一電機(jī)3、第二電機(jī)4、第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路5、第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路6、單片機(jī)7、第一角度測(cè)量模塊8、攝像頭
9、上位機(jī)10、第一藍(lán)牙模塊11、第二藍(lán)牙模塊12、OLE顯示器13、重力感應(yīng)控制器14、第二角度測(cè)量模塊15和觸摸按鍵模塊16，觸摸按鍵模塊16的方向控制信號(hào)輸出端與重力感應(yīng)控制器14的方向控制信號(hào)輸入端連接，第二角度測(cè)量模塊15控制器傾角信號(hào)輸出端與重力感應(yīng)控制器14的控制器傾角信號(hào)輸入端連接，重力感應(yīng)控制器14的顯示信號(hào)輸出端與OLE顯示器13的顯示信號(hào)輸入端連接，重力感應(yīng)控制器14的無(wú)線通信信號(hào)輸出端與第二藍(lán)牙模塊12的無(wú)線通信信號(hào)輸入端連接，第一藍(lán)牙模塊11用于接收第二藍(lán)牙模塊12發(fā)射的無(wú)線信號(hào)；第一藍(lán)牙模塊11的無(wú)線信號(hào)輸出端與上位機(jī)10的無(wú)線信號(hào)輸入端連接；上位機(jī)10的視頻信號(hào)輸入端與攝像頭9的視頻信號(hào)輸出端連接，攝像頭9用于采集車體前方的視頻信號(hào)；上位機(jī)10的無(wú)線調(diào)整信號(hào)輸出端與第一藍(lán)牙模塊11的無(wú)線調(diào)整信號(hào)輸入端連接;單片機(jī)7采用無(wú)線通信接口與第一藍(lán)牙模塊11進(jìn)行無(wú)線通信；第一角度測(cè)量模塊8的車體傾角信號(hào)輸出端與單片機(jī)7車體傾角信號(hào)輸入端連接，單片機(jī)7的豎直方向傾角控制信號(hào)輸出端與第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路5的豎直方向傾角控制信號(hào)輸入端連接，單片機(jī)7的豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)角控制信號(hào)輸出端與第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路6的豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)角控制信號(hào)輸入端連接，第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路5用于驅(qū)動(dòng)第一電機(jī)3工作；第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路6用于驅(qū)動(dòng)第二電機(jī)4工作；第一編碼器2用于米集第一電機(jī)3的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)；第二編碼器I用于采集第二電機(jī)4的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)；第一編碼器2的轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出端與單片機(jī)7的第一轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入端連接，
第二編碼器I的轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出端與單片機(jī)7的第二轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入端連接。本實(shí)施方式中的單片機(jī)7包括無(wú)線通信接口，用于與第一藍(lán)牙模塊11進(jìn)行無(wú)線通信。在本實(shí)施方式中第一電機(jī)3和第二電機(jī)4均安裝在車體上,第一電機(jī)3和第二電機(jī)4的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)第一編碼器2和第二編碼器I的轉(zhuǎn)動(dòng)，第一編碼器2和第二編碼器I測(cè)出第一電機(jī)3和第二電機(jī)4轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。第一電機(jī)3和第二電機(jī)4能實(shí)現(xiàn)車體的直立,并通過(guò)兩個(gè)電機(jī)的差速來(lái)實(shí)現(xiàn)車體的旋轉(zhuǎn)。第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路5和第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路6中全橋型驅(qū)動(dòng)電路是最常用的一種電路，兩路PWM波，通過(guò)控制四個(gè)三極管的交替導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)中使用的第一電機(jī)3和第二電機(jī)4均為:7.5V供電時(shí)空載電流300mA，堵轉(zhuǎn)電流3A。相比于三極管，增強(qiáng)型MOSFET功耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電流承受能力強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度快，所以第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路5和第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路6均采用增強(qiáng)型N-MOSFET IRF7843。IRF7843是一款耐壓能力80V，最大承受電流達(dá)到160A的場(chǎng)效應(yīng)管。HIP4082是一款內(nèi)部集成自舉升壓電路的電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片，一個(gè)該芯片可以控制一個(gè)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。本實(shí)施方式中的第一藍(lán)牙模塊11安裝在車體上、第二藍(lán)牙模塊12安裝在控制器上，用于實(shí)現(xiàn)通信。本實(shí)施方式中所述的OLE顯示器13為有機(jī)發(fā)光二極管(Organic Light-EmittingDiode),又稱為有機(jī)電激光顯(Organic Electroluminesence Display, 0ELDX0LED具有自發(fā)光的特性，采用非常薄的有機(jī)材料涂層和玻璃基板，當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，有機(jī)材料就會(huì)發(fā)光，而且OLE顯示器13的顯示屏幕可視角度大，并且能夠顯著節(jié)省電能，因?yàn)榇薕LE顯示器13具備了許多LCD不可比擬的優(yōu)勢(shì)。在本實(shí)施方式中，在車體內(nèi)嵌入式上位機(jī)的控制下，采集平衡傳感器以及速度、加速度傳感器的數(shù)據(jù)，通過(guò)建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和控制算法，計(jì)算輸出PWM (Pulse-WidthModulation)脈寬調(diào)制信號(hào)，用以控制兩個(gè)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，使車體保持平衡并能夠根據(jù)人體重心的偏移，自動(dòng)前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)彎。本實(shí)施所述的兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人是一種特殊的倒立擺式的移動(dòng)機(jī)器人，這種機(jī)器人兩輪共軸，獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，車身重心倒置于車輪軸上方，通過(guò)運(yùn)動(dòng)保持平衡，可直立行走.其適應(yīng)地形變化能力強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)靈活，可以勝任一些復(fù)雜環(huán)境里的工作.與傳統(tǒng)輪式移動(dòng)機(jī)器人相比，兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人主要有如下優(yōu)點(diǎn):1、實(shí)現(xiàn)了原地回轉(zhuǎn)和任意半徑轉(zhuǎn)向，移動(dòng)軌跡更為靈活易變，能很好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)多輪布局的缺點(diǎn)；2、減小了占地面積，在場(chǎng)地面積較小或要求靈活運(yùn)輸?shù)膱?chǎng)合十分適用；3、大大地簡(jiǎn)化了車體結(jié)構(gòu)，可以把機(jī)器人做得更小更輕；3、驅(qū)動(dòng)功率也較小，為電池長(zhǎng)時(shí)間供電提供了可能，為環(huán)保輕型車提供了一種新的思路。兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知，動(dòng)態(tài)決策與路徑規(guī)劃，行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng).如何保持車體系統(tǒng)在空載，載人，前進(jìn)，后退，旋轉(zhuǎn)以及剎車等各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，各種環(huán)境下平衡及對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)航和定位是保證其正常工作的關(guān)鍵問(wèn)題.兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景，其典型應(yīng)用包括通勤車，空間探索，戰(zhàn)場(chǎng)偵察，危險(xiǎn)品運(yùn)輸，排雷滅火，智能輪椅，玩具等場(chǎng)合.例如，將兩輪小車作為小范圍，短距離交通工具將更加方便，靈活，環(huán)保；智能輪椅可為殘疾人提供便捷服務(wù)。
具體實(shí)施方式
二、本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的基于兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述的單片機(jī)7的型號(hào)為K60ARM Cortex-M4。本實(shí)施方式采用的K60ARM Cortex_M4為Kinetis系列微控制器，Kinetis系列微控制器是飛思卡爾公司于2010年下半年推出的，Kinetis系列微控制器采用了飛思卡爾90納米薄膜存儲(chǔ)器(TFS)閃存技術(shù)和Flex存儲(chǔ)器功能(可配置的內(nèi)嵌EEPR0M)，支持超過(guò)1000萬(wàn)次的擦寫。Kinetis微控制器系列融合了最新的低功耗革新技術(shù)，具有高性能、高精度的混合信號(hào)能力，寬廣的互連性，人機(jī)接口和安全外設(shè)。K60ARM Cortex-M4 的內(nèi)核:.ARM Cortex_M4 內(nèi)核帶 DSP 指令,性能可達(dá) 1.25DMIPS/MHz (部分 Kinetis 系列提供浮點(diǎn)單元)；.多達(dá)32通道的DMA可用于外設(shè)和存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)傳輸并減少CPU干預(yù)；.提供不同級(jí)別的CPU頻率，有50MHz、72MHz和IOOMHz (部分Kinetis系列提供120MHz 和 150MHz)；.極低的功耗:.10種低功耗操作模式用于優(yōu)化外設(shè)活動(dòng)和喚醒時(shí)間以延長(zhǎng)電池的壽命；.低漏喚醒單元、低功耗定時(shí)器和低功耗RTC可以更加靈活地實(shí)現(xiàn)低功耗； 行業(yè)領(lǐng)先的快速喚醒時(shí)間。K60ARM Cortex_M4 的存儲(chǔ)器:.內(nèi)存空間可擴(kuò)展，從32KB閃存/8KB RAM到IMB閃存/128KB RAM。多個(gè)獨(dú)立的閃存模塊使同時(shí)進(jìn)行代碼執(zhí)行和固件升級(jí)成為可能；.可選的16KB緩存用于優(yōu)化總線帶寬和閃存執(zhí)行性能；.Flex存儲(chǔ)器具有高達(dá)512KB的FlexNVM和高達(dá)16KB的FlexRAM。FlexNVM能夠被分區(qū)以支持額外的程序閃存(例如引導(dǎo)加載程序)、數(shù)據(jù)閃存(例如存儲(chǔ)大表)或者EEPROM備份。FlexRAM支持EEPROM字節(jié)寫/字節(jié)擦除操作，并且指示最大EEPROM空間；.EEPROM最高超過(guò)一千萬(wàn)次的使用壽命；.EEPROM擦除/寫速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的EEPR0M。K60ARM Cortex_M4 模擬混合信號(hào): 快速、高精度的16位ADC、12位DAC、可編程增益放大器、高速比較器和內(nèi)部電壓參考。提供強(qiáng)大的信號(hào)調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換和分析性能的同時(shí)降低了系統(tǒng)成本。K60ARM CortexHM 人機(jī)接口(HMI):.低功耗感應(yīng)觸摸傳感接口在所有低功耗模式均可工作； 連接性和通信:.UART 支持 IS07816 和 IrDA, I2S、CAN、I2C 和 SPI ；.可靠性和安全性:.硬件循環(huán)冗余校驗(yàn)引擎用于驗(yàn)證存儲(chǔ)器內(nèi)容、通信數(shù)據(jù)和增加的系統(tǒng)可靠性；.獨(dú)立時(shí)鐘工作的COP用于防止代碼跑飛；
外部看門狗監(jiān)控。
K60ARM Cortex_M4 定時(shí)和控制:.強(qiáng)大的FlexTimers支持通用、PWM和電機(jī)控制功能；.載波調(diào)制器發(fā)射器用于產(chǎn)生紅外波形； 可編程中斷定時(shí)器用于RTOS任務(wù)調(diào)度或者為ADC轉(zhuǎn)換和可編程延遲模塊提供觸發(fā)源。K60ARM Cortex-M4 外部接口:.多功能外部總線接口提供和外部存儲(chǔ)器、門陣列邏輯或IXD的接口。K6OARM Cortex_M4 系統(tǒng):.5V容限的GPIO帶引腳中斷功能； 從1.7IV到3.6V的寬操作電壓范圍，閃存編程電壓低至1.71V，并且此時(shí)閃存和模擬外設(shè)所有功能正常； 運(yùn)行溫度-40。C 到 105。C。
具體實(shí)施方式
三、本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的基于兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)的區(qū)別 在于，重力感應(yīng)控制器14的型號(hào)為STM32。本實(shí)施方式所述的STM32具有更低的功耗，體積更小，外圍電路更簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。STM32 的內(nèi)核為:ARM32 位 Cortex_M3CPU，最高工作頻率 72MHz，1.25DMIPS/MHz。單周期乘法和硬件除法。STM32的存儲(chǔ)器為:片上集成32-512KB的Flash存儲(chǔ)器。6-64KB的SRAM存儲(chǔ)器。STM32的時(shí)鐘、復(fù)位和電源管理為:2.0-3.6V的電源供電和I/O接口的驅(qū)動(dòng)電壓。P0R、PDR和可編程的電壓探測(cè)器(PVD)。4-16MHZ的晶振。內(nèi)嵌出廠前調(diào)校的8MHz RC振蕩電路。內(nèi)部40kHz的RC振蕩電路。用于CPU時(shí)鐘的PLL。帶校準(zhǔn)用于RTC的32kHz的晶振。低功耗:3種低功耗模式:休眠，停止，待機(jī)模式。為RTC和備份寄存器供電的VBAT0調(diào)試模式:串行調(diào)試(SWD )和JTAG接口。DMA: 12通道DMA控制器。支持的外設(shè):定時(shí)器，ADC，DAC，SPI，IIC和USART。2個(gè)12位的us級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換器(16通道):A/D測(cè)量范圍:0_3.6V。雙采樣和保持能力。片上集成一個(gè)溫度傳感器。2 通道 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換器:STM32F103xC, STM32F103xD, STM32F103xE 獨(dú)有。最多高達(dá)112個(gè)的快速I/O端口:根據(jù)型號(hào)的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16個(gè)外部中斷向量。除了模擬輸入，所有的都可以接受5V以內(nèi)的輸入。最多多達(dá)11個(gè)定時(shí)器:4個(gè)16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有4個(gè)IC/OC/PWM或者脈沖計(jì)數(shù)器。2個(gè)16位的6通道高級(jí)控制定時(shí)器:最多6個(gè)通道可用于PWM輸出。2個(gè)看門狗定時(shí)器(獨(dú)立看門狗和窗口看門狗)。Systick定時(shí)器:24位倒計(jì)數(shù)器。2個(gè)16位基本定時(shí)器用于驅(qū)動(dòng)DAC。最多多達(dá)13 個(gè)通信接口:2 個(gè) IIC接口(SMBus/PMBus)。5 個(gè)USART 接口(IS07816接口，LIN，IrDA兼容，調(diào)試控制)。3個(gè)SPI接口( 18Mbit/s)，兩個(gè)和IIS復(fù)用。CAN接口(2.0B)。USB2.0 全速接口。SDIO 接口。
具體實(shí)施方式
四、結(jié)合圖2具體說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的基于兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)的區(qū)別在于，第一角度測(cè)量模塊8包括第一角加速度傳感器8-1、第一加速度傳感器8-2和第二角加速度傳感器8-3 ;車體傾角信號(hào)包括車體沿豎直方向上的角速度信號(hào)、車體沿豎直方向的角加速度信號(hào)、車體沿豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)和車體沿豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)，第一角加速度傳感器8-1用于采集車體沿豎直方向上的角速度信號(hào)，并將該車體沿豎直方向上的角速度信號(hào)發(fā)送至單片機(jī)7，第一加速度傳感器8-2用于采集車體沿豎直方向的角加速度信號(hào)和車體沿豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)，并將車體沿豎直方向的角加速度信號(hào)和車體沿豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)同時(shí)發(fā)送至單片機(jī)7，第二角加速度傳感器8-3用于采集車體沿豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)，并將該車體沿豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)發(fā)送至單片機(jī)7。單片機(jī)7根據(jù)車體沿豎直方向上的角速度信號(hào)和車體沿豎直方向的角加速度信號(hào)融合算出車體沿豎直方向傾角控制信號(hào)，單片機(jī)7根據(jù)車體沿豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)和車體沿豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)融合算出車體沿豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)角控制信號(hào)。本實(shí)施方式中的第一角加速度傳感器8-1橫向放置于車體上，第一加速度傳感器8-2豎直方向放置于車體上。
具體實(shí)施方式
五、結(jié)合圖3具體說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一所述的基于兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)的區(qū)別在于，第二角度測(cè)量模塊15包括第三角加速度傳感器15-1、第二加速度傳感器15-2和第四角加速度傳感器15-3 ;控制器傾角信號(hào)包括控制器相對(duì)于水平面前后方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)、控制器相對(duì)于水平面前后方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)、控制器相對(duì)于水平面左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)和控制器相對(duì)于水平面左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)，第三角加速度傳感器15-1用于采集控制器相對(duì)于水平面前后方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)，并將該控制器相對(duì)于水平面前后方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)發(fā)送至重力感應(yīng)控制器14，第二加速度傳感器15-2用于采集控制器相對(duì)于水平面前后方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)和控制器相對(duì)于水平面左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)，并將控制器相對(duì)于水平面前后方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)和控制器相對(duì)于水平面左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)同時(shí)發(fā)送至重力感應(yīng)控制器14，第四角加速度傳感器15-3用于采集控制器相對(duì)于水平面左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)，并將該控制器相對(duì)于水平面左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)發(fā)送至重力感應(yīng)控制器14。重力感應(yīng)控制器14根據(jù)控制器相對(duì)于水平面前后方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)和控制器相對(duì)于水平面前后方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)融合算出控制器沿水平方向的傾角信號(hào)，重力感應(yīng)控制器14根據(jù)控制器相對(duì)于水平面左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)和控制器相對(duì)于水平面左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)融合算出控制器沿左右方向轉(zhuǎn)過(guò)的角度信號(hào)，并將控制器沿水平方向的傾角信號(hào)、控制器沿左右方向轉(zhuǎn)過(guò)的角度信號(hào)和方向控制信號(hào)通過(guò)第二藍(lán)牙模塊11傳送出去。第三角加速度傳感器15-1橫向放置于控制器上，第四角加速度傳感器15-3豎直方向放置于控制器上。
具體實(shí)施方式
六、本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四或五所述的基于兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)的區(qū)別在于，第一角加速度傳感器8-1、第二角加速度傳感器8-3、第三角加速度傳感器15-1和第四角加速度傳感器15-3均采用ENC-03芯片。本實(shí)施方式所述的ENC-03是muRata的角速度傳感器產(chǎn)品,在航模領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，頗具名氣，傳感器大都集成度較高，適合各種高要求的場(chǎng)合。
具體實(shí)施方式
七、本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四或五所述的基于兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)的區(qū)別在于，第一加速度傳感器8-2和第二加速度傳感器15-2均采用MMA7361芯片。本實(shí)施方式所述的第一加速度傳感器8-2和第二加速度傳感器15-2均為一種用于測(cè)量三軸方向(X，Y，Z)上加速度的傳感器。ΜΜΑ7361芯片是一款模擬輸出、低功耗、緊湊型電容式微機(jī)械加速度計(jì)，具有信號(hào)調(diào)理、低通濾波器、溫度補(bǔ)償、自測(cè)、可配置通過(guò)中斷引腳(ΙΝΤ1或ΙΝΤ2)檢測(cè)0g、以及脈沖檢測(cè)。它的測(cè)量量程可通過(guò)命令選擇2個(gè)加速度范圍(1.5g，6g)。而且，對(duì)比同系列產(chǎn)品MMA7260, MMA7660的溫飄更小，可靠性更高。在本發(fā)明中為了實(shí)現(xiàn)車體直立行走，需要采集如下信號(hào):(I)車體沿豎直方向上的角速度信號(hào)和車體沿豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)；(2)車體沿豎直方向的角加速度信號(hào)和車體沿豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)；(3)車體電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)即第一電機(jī)3的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)和第二電機(jī)4的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)；需要進(jìn)行如下控制環(huán)節(jié)，控制車體電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng):( I)車體直立控制:使用車體傾角的H)(比例、微分)控制；(2)車體速度控制:使用PI (比例、積分)控制；(3)車體方向控制:使用P (比例)控制?？赏ㄟ^(guò)單片機(jī)7實(shí)現(xiàn)上述控制算法。車體的三種控制(直立、速度、方向)最終是將控制量疊加在一起作為電機(jī)輸出電壓控制量。直立控制是基礎(chǔ)，它的調(diào)整速度非?？?，速度和方向控制相對(duì)調(diào)整速度慢。速度和方向控制的輸出量是直接疊加在電機(jī)控制電壓上。它們假定直立控制會(huì)始終保持車體不跌倒，直立控制會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)車體的傾角以適應(yīng)車體的加速、減速和轉(zhuǎn)彎的需要。車體加速前進(jìn)時(shí)，由速度控制算法給出電機(jī)增加的正向電壓，電機(jī)開(kāi)始逐步加速旋轉(zhuǎn)。在此同時(shí)，車體直立控制會(huì)迅速進(jìn)行調(diào)整，使得車體往前傾斜，車體開(kāi)始加速。當(dāng)車體速度達(dá)到設(shè)定值，由車體速到控制算法使得電機(jī)進(jìn)入恒速運(yùn)行。此時(shí)車體直立控制算法也會(huì)相應(yīng)調(diào)整車體出于直立狀態(tài)，車體恒速運(yùn)行。車體減速過(guò)程與此類似，由速度控制算法減少了電機(jī)的電壓，電機(jī)開(kāi)始減速運(yùn)行。直立控制算法會(huì)自動(dòng)調(diào)整車體往后傾斜，使得車體減速。車體轉(zhuǎn)向控制是在車速控制基礎(chǔ)之上，調(diào)節(jié)兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓差使得電機(jī)運(yùn)行速度出現(xiàn)差動(dòng)，進(jìn)而調(diào)整車體的方向。在此控制算法中，直立控制一直維持車體的直立狀態(tài)，速度與方向控制將會(huì)成為直立控制的外部干擾。為了確保車體不會(huì)跌倒，因此外部的速度和方向控制算法調(diào)整速度不能夠過(guò)快，過(guò)于劇烈。
權(quán)利要求
1.基于兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)，所述的機(jī)器人控制系統(tǒng)包括控制器和車體，其特征在于:基于兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)包括第二編碼器(I)、第一編碼器(2)、第一電機(jī)(3)、第二電機(jī)(4)、第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(5)、第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(6)、單片機(jī)(7)、第一角度測(cè)量模塊(8)、攝像頭(9)、上位機(jī)(10)、第一藍(lán)牙模塊(11)、第二藍(lán)牙模塊(12)、OLED顯示器(13)、重力感應(yīng)控制器(14)、第二角度測(cè)量模塊(15)和觸摸按鍵模塊(16)， 觸摸按鍵模塊(16)的方向控制信號(hào)輸出端與重力感應(yīng)控制器(14)的方向控制信號(hào)輸入端連接， 第二角度測(cè)量模塊(15)控制器傾角信號(hào)輸出端與重力感應(yīng)控制器(14)的控制器傾角信號(hào)輸入端連接， 重力感應(yīng)控制器(14)的顯示信號(hào)輸出端與OLED顯示器(13)的顯示信號(hào)輸入端連接，重力感應(yīng)控制器(14)的無(wú)線通信信號(hào)輸出端與第二藍(lán)牙模塊(12)的無(wú)線通信信號(hào)輸入端連接， 第一藍(lán)牙模塊(11)用于接收第二藍(lán)牙模塊(12 )發(fā)射的無(wú)線信號(hào)； 第一藍(lán)牙模塊(11)的無(wú)線信號(hào)輸出端與上位機(jī)(10)的無(wú)線信號(hào)輸入端連接； 上位機(jī)(10)的視頻信號(hào)輸入端與攝像頭(9)的視頻信號(hào)輸出端連接， 攝像頭(9)用于采集車體前方的視頻信號(hào)； 上位機(jī)(10)的無(wú)線調(diào)整信號(hào)輸出端與第一藍(lán)牙模塊(11)的無(wú)線調(diào)整信號(hào)輸入端連接; 單片機(jī)(7)采用無(wú)線通信接口與第一藍(lán)牙模塊(11)進(jìn)行無(wú)線通信； 第一角度測(cè)量模塊(8)的車體傾角信號(hào)輸出端與單片機(jī)(7)車體傾角信號(hào)輸入端連接， 單片機(jī)(7)的豎直方向傾角控制信號(hào)輸出端與第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(5)的豎直方向傾角控制信號(hào)輸入端連接， 單片機(jī)(7)的豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)角控制信號(hào)輸出端與第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(6)的豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)角控制信號(hào)輸入端連接， 第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(5)用于驅(qū)動(dòng)第一電機(jī)(3)工作； 第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(6)用于驅(qū)動(dòng)第二電機(jī)(4)工作； 第一編碼器(2)用于米集第一電機(jī)(3)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)； 第二編碼器(I)用于采集第二電機(jī)(4)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)； 第一編碼器(2)的轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出端與單片機(jī)(7)的第一轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入端連接， 第二編碼器(I)的轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出端與單片機(jī)(7)的第二轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的單片機(jī)(7)的型號(hào)為K60ARM Cortex-M4。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于:重力感應(yīng)控制器(14)的型號(hào)為STM32。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于:第一角度測(cè)量模塊(8)包括第一角加速度傳感器(8-1)、第一加速度傳感器(8-2)和第二角加速度傳感器(8-3);車體傾角信號(hào)包括車體沿豎直方向上的角速度信號(hào)、車體沿豎直方向的角加速度信號(hào)、車體沿豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)和車體沿豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)， 第一角加速度傳感器(8-1)用于采集車體沿豎直方向上的角速度信號(hào)，并將該車體沿豎直方向上的角速度信號(hào)發(fā)送至單片機(jī)(7)， 第一加速度傳感器(8-2 )用于采集車體沿豎直方向的角加速度信號(hào)和車體沿豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)，并將車體沿豎直方向的角加速度信號(hào)和車體沿豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)同時(shí)發(fā)送至單片機(jī)(7)， 第二角加速度傳感器(8-3)用于采集車體沿豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)，并將該車體沿豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)發(fā)送至單片機(jī)(J)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于:第二角度測(cè)量模塊(15)包括第三角加速度傳感器(15-1 )、第二加速度傳感器(15-2)和第四角加速度傳感器(15-3);控制器傾角信號(hào)包括控制器相對(duì)于水平面前后方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)、控制器相對(duì)于水平面前后方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)、控制器相對(duì)于水平面左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)和控制器相對(duì)于水平面左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)， 第三角加速度傳感器(15-1)用于采集控制器相對(duì)于水平面前后方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)，并將該控制器相對(duì)于水平面前后方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)發(fā)送至重力感應(yīng)控制器(14)， 第二加速度傳感器(15-2)用于采集控制器相對(duì)于水平面前后方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)和控制器相對(duì)于水平面左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)，并將控制器相對(duì)于水平面前后方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)和控制器相對(duì)于水平面左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度信號(hào)同時(shí)發(fā)送至重力感應(yīng)控制器(14)， 第四角加速度傳感器(15-3)用于采集控制器相對(duì)于水平面左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)，并將該控制器相對(duì) 于水平面左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度信號(hào)發(fā)送至重力感應(yīng)控制器(14)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的基于兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于:第一角加速度傳感器(8-1)、第二角加速度傳感器(8-3)、第三角加速度傳感器(15-1)和第四角加速度傳感器(15-3 )均采用ENC-03芯片。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的基于兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于:第一加速度傳感器(8-2)和第二加速度傳感器(15-2)均采用MMA7361芯片。
全文摘要
基于兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)，本發(fā)明具體涉及基于兩輪自平衡重力感應(yīng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)。它為了解決傳統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)存在體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)遲緩、工作空間局限化的問(wèn)題。本發(fā)明通過(guò)第一角度測(cè)量模塊和第二角度測(cè)量模塊采集車體傾角信號(hào)和控制器傾角信號(hào)，并將信號(hào)分別發(fā)送至單片機(jī)和重力感應(yīng)控制器，重力感應(yīng)控制器將接收到的信號(hào)通過(guò)兩個(gè)藍(lán)牙模塊分別發(fā)送至上位機(jī)和單片機(jī)，上位機(jī)通過(guò)單片機(jī)控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，通過(guò)兩個(gè)編碼器將兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)反饋至單片機(jī)。本發(fā)明適用于軍事、航天和航海等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B25J13/00GK103192394SQ201310136040
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月18日
發(fā)明者侯成宇, 崔金非, 徐志劍, 盧子琦, 原為一, 黃永祥 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)