2016年3月13日 星期日

自平衡機器人的研究和實作


自平衡機器人的研究和實作
The Magic behind Self-Balancing Robot


專題的動機來自於 Dean Kamen 發明的兩輪電動代步車 ~ Segway。當人踏在上面時,可以自動平衡保持直立,且會根據整體重心的改變而產生前進或後退的靈活移動。因停靠方便、外型酷炫、操作容易,在歐美地區已造成一股流行。

主要的目標是完成一具有自我維持平衡能力的兩輪機器人。我們以STMicroelectronics STM32-F3 (ARM Cortex-M4 core @72MHz ) 當作開發平台,左、右兩輪各搭配有齒輪箱的直流馬達,底板正中央放置慣性感測元件,最上層安裝可充電式電池組。藉由Accelerometer 和 Gyroscope分別量測車身的傾斜角&角速度,並利用Encoder量測馬達轉動的位置或速度,根據前三者加總的即時資訊當成PID控制器的輸入,建立兩輪車各種模式的狀態;經運算後再以PWM訊號和驅動器輸出調整馬達轉速,使機器人具備平衡、同步、定速定位、前進/後退、左右轉彎等功能。

第一階段為實現保持動態平衡以及兩輪同步操作、第二階段為實現藍芽遙控的前進/後退和差速轉向。過程中整合了感測物理量的擷取、Kalman濾波器的訊號處理、馬達驅動&控制的技術,充份地展現了韌體&硬體的緊密結合,[系統架構圖]見Figure.2。



Keywords:  Self-Balancing, 慣性感測, Kalman濾波器, PID控制器,STM32-F3,ARM Cortex-M4,Accelerometer,Gyroscope




系統架構


成品圖

Slide:




Demo:




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