利用STM32實(shí)現(xiàn)自平衡機(jī)器人功能項(xiàng)目

將機(jī)器人整體開源，同時(shí)總結(jié)一下機(jī)器人搭建過程中遇到的坑和未來的改進(jìn)方向。在分享的文件里包含了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、程序控制、電路設(shè)計(jì)以及其他模塊相關(guān)資料供大家參考。

第一：機(jī)器人原理分析

首先來看成品圖：

如圖所示，該機(jī)器人根據(jù)陀螺儀的位姿數(shù)據(jù)，通過三個(gè)全向輪驅(qū)動(dòng)底部球體調(diào)整自己在球上的位置，保持動(dòng)態(tài)平衡的同時(shí)實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)。

保持動(dòng)態(tài)平衡過程需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，這里參考了平衡小車之家的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程：

自平衡控制問題轉(zhuǎn)化為三步：輸入X、Y角度—控制器計(jì)算—輸出A、B、C電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制模型。

第二：控制器設(shè)計(jì)

首先考慮參考平衡車控制，球上自平衡機(jī)器人本質(zhì)上依然是一個(gè)一階倒立擺問題。

這里參考了飛思卡爾直立車的控制方法，采用串級(jí)PID控制器，外環(huán)PD角度環(huán)，內(nèi)環(huán)速度PI環(huán)。

由于我的驅(qū)動(dòng)方案選擇的是42步進(jìn)電機(jī)，在速度閉環(huán)的時(shí)候有些問題。正常的直流電機(jī)+編碼器的控制方案可以通過編碼器將輪子的真實(shí)速度計(jì)算出來，從而和控制器的理想轉(zhuǎn)速作差，實(shí)現(xiàn)速度控制。

而我這里的速度閉環(huán)是通過計(jì)算上一個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)給步進(jìn)電機(jī)的控制量，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)方程分解，得到機(jī)器人的虛擬速度，與理想轉(zhuǎn)速作差控制。我認(rèn)為這種速度閉環(huán)方式還是存在一定缺陷的，但是在網(wǎng)上查看論文的時(shí)候我發(fā)現(xiàn)有很多自平衡機(jī)器人都是用42步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)的，不知道是什么方法。

這里還可以好好思考一下為什么角度環(huán)要用PD控制，速度環(huán)要PI控制，角度環(huán)的P部分和D部分對(duì)機(jī)器人控制有什么影響？在很多CSDN調(diào)試平衡車的博客中都有解釋，這里就留給大家思考了。

第三：硬件及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自平衡機(jī)器人的硬件清單有：

56mm全向輪 45元/個(gè)

42步進(jìn)電機(jī) 25/個(gè)

42步進(jìn)閉環(huán)模塊 59.8元/個(gè)

LM2596S降壓模塊 20元

STM32F103C8T6-4飛控板 59.8元

GY-521六軸陀螺儀 25元

用到的模塊大致如上所示，C8T6的價(jià)格隨著最近芯片漲價(jià)直線上升，我白嫖了實(shí)驗(yàn)室的兩塊板子，現(xiàn)在買一塊實(shí)在太貴，可以等芯片價(jià)格穩(wěn)定一些再買。其余開關(guān)排針等常見元件不再贅述。

電路原理圖如下所示：

機(jī)器人使用solidworks設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)，底板可在某寶定制6050太空鋁切割，藍(lán)色件為正常3D打印件。

第四：程序部分

在keil 5中開發(fā)STM32。

控制程序采用定時(shí)器0.5ms定時(shí)中斷的方式進(jìn)行計(jì)算，每觸發(fā)兩次中斷計(jì)算對(duì)電機(jī)控制一次，這里還是推薦大家采用外部中斷讀取GY-521上的INT引腳的方式，控制計(jì)算周期。GY-521上的INT引腳每5ms觸發(fā)一次跳變，采用外部中斷的方式可以嚴(yán)格保證讀取位姿數(shù)據(jù)與計(jì)算處理同步。

int TIM1_UP_IRQHandler (void)                
{
    u8 key_cal;
    if(TIM_GetITStatus(TIM1,TIM_IT_Update) != RESET)
    {
        TIM_ClearITPendingBit(TIM1,TIM_IT_Update); 
        flag_target=!flag_target;
        key_cal=KEY_Scan(0);
        if(state_flag==1)//矯正結(jié)束
        {
            if(flag_target==1)//每讀取兩次陀螺儀控制一次 
            {
                        Read_DMP();                      //===讀取傾角
                        scope();
                        return 0;
            }
        }
        if(key_cal==1)//矯正按鍵
        {
                        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)//矯正按鍵
        {
        Flag_Stop=1;//關(guān)閉速度環(huán)I積分
        key_cal=0;
        }
        Angle_Bias_X =Angle_Balance_X-Angle_Zero_X;     //獲取Y方向的偏差
        Angle_Bias_Y =Angle_Balance_Y-Angle_Zero_Y;     //獲取Y方向的偏差
        if(control_mode==0)//PID控制模式
        {
        Encoder_Analysis(Motor_A,Motor_B,Motor_C);  //正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到X Y方向的速度
        Balance_Pwm_X= balance_X(Angle_Bias_X,Gyro_Balance_X);//X方向的傾角控制
        Balance_Pwm_Y=-balance_Y(Angle_Bias_Y,Gyro_Balance_Y);  //Y方向的傾角控制
//      if(++flag_target_2==4)//速度環(huán)頻率慢于加速度環(huán) 但是還沒加速度環(huán) 
//          {
            Velocity_Pwm_X=velocity_X(compute_X);      //X方向的速度控制
            Velocity_Pwm_Y=velocity_Y(compute_Y);     //Y方向的速度控制  
//          flag_target_2=0;
//          }
            Move_X =Balance_Pwm_X+Velocity_Pwm_X;   //===X方向控制量累加   
            Move_Y =Balance_Pwm_Y+Velocity_Pwm_Y;   //===Y方向控制量累加   
            Move_Z=0;                
            Kinematic_Analysis(Move_X,Move_Y,Move_Z);//逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得到ABC電機(jī)控制量
        }
            Motor_A=Target_A;//直接調(diào)節(jié)PWM頻率 
            Motor_B=Target_B;//直接調(diào)節(jié)PWM
            Motor_C=Target_C;//直接調(diào)節(jié)PWM
//以下都是為了速度連續(xù)化處理防止突變
            if(Motor_A==0)  Motor_A=motor_a_last;
            if(Motor_B==0)  Motor_B=motor_b_last;
            if(Motor_C==0)  Motor_C=motor_c_last;
            Xianfu_Pwm(2000);
            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;
    }
      return 0;
}

對(duì)于電機(jī)控制，由于采用的驅(qū)動(dòng)方案是步進(jìn)電機(jī)，調(diào)速的方式是改變驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率。我這里選擇了三個(gè)定時(shí)器，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)定時(shí)器的頻率，具體方式是在初始化時(shí)設(shè)定好定時(shí)器的預(yù)分頻系數(shù)psc的值，然后在程序里動(dòng)態(tài)更改ARR寄存器的值，從而改變定時(shí)器的定時(shí)頻率。

//這里以A電機(jī)的速度控制為例 輸入為 電機(jī)方向和電機(jī)速度
void set_motorA_speed(u8 dir,u16 speed)
{
    u32 arr;
    arr=speed;
        TIM_ARRPreloadConfig(TIM3,DISABLE);
        TIM3->ARR=arr;//計(jì)數(shù)到10000在歸零重新計(jì)數(shù)
        TIM3->CCR4=arr/2;//保持占空比為50%
        TIM_ARRPreloadConfig(TIM3,ENABLE);
        TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);
    if(dir==0)
    {
    GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1);
    }
  else
  {
    GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1);
  }
}

小車的運(yùn)動(dòng)學(xué)分解代碼實(shí)現(xiàn)如下，參考了平衡小車之家的代碼：

/**********************************************************
函數(shù)功能：小車運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型
入口參數(shù)：X Y Z 三軸速度或者位置
返回  值：無
***********************************************************/
void Kinematic_Analysis(float Vx,float Vy,float Vz)
{
        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)功能：小車運(yùn)動(dòng) 正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 
入口參數(shù)：A B C三個(gè)電機(jī)的速度
返回  值：無
******************************************************************/
void Encoder_Analysis(float Va,float Vb,float Vc)
{
    compute_X=(Va*2-Vb-Vc);
    compute_Y=((Vb-Vc)*sqrt(3));
    compute_Z=(Va+Vb+Vc);  
}

其余代碼不全放出，可在文末點(diǎn)擊“閱讀原文”下載查看。

第五：總結(jié)與展望

球上自平衡機(jī)器人可以作為算法試驗(yàn)平臺(tái)， 輸入輸出固定，更換不同控制器，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB進(jìn)行分析即可比較控制器性能。

個(gè)人認(rèn)為結(jié)構(gòu)有兩個(gè)改進(jìn)方向，一方面參考以下論文：余義. 單球驅(qū)動(dòng)自平衡機(jī)器人位姿解算與控制系統(tǒng)研究[D].武漢科技大學(xué),2019。論文中采用的四足式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)更有利于機(jī)器人自平衡控制。

另一方面可以增加球體和機(jī)器人固定裝置，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)將機(jī)器人與底部驅(qū)動(dòng)球結(jié)合成一個(gè)整體防止機(jī)器人跳輪等問題。同時(shí)驅(qū)動(dòng)球?qū)τ跈C(jī)器人平衡的影響較大，最好還是定制空心鋼球，然后噴漆增大摩擦力，最有利于機(jī)器人自平衡控制。

控制部分的改進(jìn)，首先是控制原理，本文是針對(duì)建立好的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程進(jìn)行分析，通過串級(jí)PID算法來實(shí)現(xiàn)自平衡運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人的控制問題本質(zhì)上是一階倒立擺問題，可以采用動(dòng)力學(xué)建模的方式，通過動(dòng)力學(xué)分析算出平衡需要的虛擬力矩，再對(duì)電機(jī)進(jìn)行力矩控制。

其次是控制器，PID控制算法應(yīng)用廣泛但也有一定的缺點(diǎn)，可以考慮采用模糊PID，ADRC自抗擾控制器，強(qiáng)化學(xué)習(xí)等智能控制算法對(duì)機(jī)器人自平衡進(jìn)行控制。

審核編輯：湯梓紅