基于STM32的双轮机器人控制系统研究与设计

2022-09-11

由于目前市场上的平衡机器人价格昂贵, 不是一般人能接受的, 而且其应用领域不是很广, 所以当下的平衡机器人市场还急需开发, 一旦将平衡机器人的研究应用到军事领域, 那么为国家带来的发展将是巨大的。本文便以降低平衡机器人的成本, 扩展平衡机器人的应用领域为目的, 对平衡机器人的控制系统进行了重新整合和设计。首先来了解一下基于STM32的双轮机器人的力学模型。

一、基于STM32的双轮机器人的力学模型

因为大部分平衡机器人都是由车身和左右两个轮子构成, 因此, 我们将车身和两个车轮作为主要研究对象, 并结合机器人的自身特点和倒立摆的原理进行数学建模, 在研究的过程中, 我们可以发现, 影响平衡机器人的主要因素有:车身重心的位置、车的转动惯量、车轴扭矩、半径和车的质量等。为了使车保持在平衡状态, 要求车的重心要在车轴正上方的一定范围内, 然后根据车的各项指标建立数学模型, 并运用牛顿定律和转动惯量定理列出方程, 其中车轮和车身的微分方程应该分别列出, 然后对上述方程进行整理, 从而得到平衡机器人所要满足的条件和结论。即:车身摆动的速度和角速度, 车轮的速度和角速度, 都会影响到车子的平衡状态, 它们是输入量, 输出量主要是两个车轮的扭矩, 将上述各量进行协调, 最终得到车子平衡的条件。

在大致了解了基于STM32的双轮机器人的力学模型之后, 接着来了解一下它的硬件设备。硬件设备在平衡机器人的控制系统里发挥着重要的作用, 其不仅是机器人工作的主要部件, 还是机器人的重要组成部分。因此, 下面探究平衡机器人的控制系统的硬件设备。

二、基于STM32双轮机器人的控制系统的硬件设备

基于STM32的双轮机器人的硬件构成主要是:加速剂MMA7260QT、编码器、陀机MG995、陀机控制器、陀螺仪ADXRS300、遥控收发器PT2272与PT2264、LCD显示屏STM32以及ILI9320等。

其中加速剂MMA7260QT主要用于测量平衡机器人在惯性空间里的加速度, 并将这些数据输送到收集器中, 最终得出电压平均数, 起到减小数据误差的作用;编码器主要是用来测量旋转机的转速, 进而得出平衡机器人的运转速度;陀机MG995作为一种位置伺服的驱动器, 其作用是对机器人进行驱动;陀机控制器则主要用于转化陀机产生的语言, 并将其编码成指令;陀螺仪ADXRS300则主要是测量车身的角速度, 再通过运算得到车身的角加速度和速度;遥控收发器PT2272以及PT2264主要是利用电磁波实现远程控制机器人;LCD显示屏STM32以及ILI9320则是人操作机器人的界面。

在平衡机器人的控制系统中, 除了有硬件设备外还需要软件设备, 这两者对整合系统同时起到辅助作用, 帮助系统良好的运行。下面来了解一下平衡机器人的控制系统的软件设备。

三、基于STM32双轮机器人的控制系统的软件设备

基于STM32双轮机器人的控制系统的软件设备主要划分为两个大的部分:任务划分设置与中断设置。其中还包括Kalman算法、PID调节器、平衡算法、u COS-II的移植设备等。Kalman算法主要用于计算机身重心的偏离程度;而PID调节器则主要用于调节陀机的PWM波, 进而调节机身的运动速度和运动状态;平衡算法则主要研究扭矩在什么情况下才能使机器人自动恢复平衡状态;u COS-II的移植设备主要对机器人的任务进行管理, 并且可以自行筛选掉已完成的任务, 同时还可以降低机器人的失误率, 是机器人软件设备里的必备设备之一。

四、结束语

本文首先介绍了基于STM32的双轮机器人的力学模型, 并对平衡机器人的相关硬件设备和软件设备进行了简单的介绍。本文还在原来平衡机器人的基础上, 对平衡机器人的自动恢复平衡的功能进行了研究和探索, 并对其部分系统进行了改进和创新, 从而提高了机器人的整体运营能力, 扩大了机器人的应用领域。但是在某些细节问题上仍有不足, 希望相关人员可以给出一些更好的改进意见。从而帮助基于STM32的双轮机器人发展到更多的领域。

摘要：随着科学技术的不断发展, 与机器人有关的研究也越来越多, 而对于平衡机器人的研究也成为了当前的研究热点之一。本文主要对基于STM32的双轮机器人控制系统进行研究与设计。首先, 基于STM32的双轮机器人的特点是可以自动关闭运行系统, 这样不仅为人们提供了方便, 还可以节约能源, 是一举两得的好事。其次, 在系统需要运行时, 还可以通过遥控启动运行系统, 除此之外, 基于STM32的双轮机器人还可以自动调节自身的平衡, 是性能非常好的一款机器人。本文主要探索对基于STM32的双轮机器人的硬件和软件系统进行研究与设计, 希望可以为其他机器人研究者提供思路。

关键词：STM32,双轮,平衡,机器人,研究,设计