一種縱向兩輪自平衡機器人及控制系統的制作方法

文檔序號：11087322閱讀：847來源：國知局

本發明涉及電動平衡車的技術領域，具體涉及一種縱向兩輪自平衡機器人及控制系統。

背景技術：

兩輪移動機器人分為同軸兩輪(左右分布)和縱向兩輪(前后分布)兩種。同軸兩輪移動機器人具有極強的靈活性且與兩足機器人行走有很大的相似性，行業內相關的研究與應用比較多，但是縱向兩輪的機器人自平衡的實現極具挑戰性。由于縱向兩輪平衡機器人是典型的自然不穩定體，在非控制的情況下會左右擺動，而實現自平衡比較困難，因此其平衡控制是一個比較復雜的過程。由于前后兩輪結構是不穩定、多變量、非線性、強耦合系統，在實際應用中還存在許多問題待去解決。

目前國內外研究的重點主要集中在自平衡技術開發上，以及提高平衡穩定性的方法上。自平衡技術包括飛輪陀螺效應法、前輪轉向法、重心調整法、反作用力矩法以及上述方法的結合。飛輪陀螺效應法是依靠飛輪陀螺效應產生的陀螺力矩保持穩定；前輪轉向法是依靠控制機器人前輪的轉向來保持穩定；重心調整法是依靠調整機器人重心來保持穩定；反作用力矩法是依靠驅動轉子的反作用力矩來保持穩定。但目前這些方法都存在穩定性不高、能耗大、自主能力缺乏等弱點，且其控制系統設計過于復雜，難以快速地滿足實用性要求。

技術實現要素：

有鑒于此，為了解決現有技術中的上述問題，本發明提出一種縱向兩輪自平衡機器人及控制系統。

本發明通過以下技術手段解決上述問題：

一種縱向兩輪自平衡機器人，包括依次連接的車頭部分、車身部分、車尾部分，還包括電控箱、前輪轉向機構、前輪安裝機構、前輪、后輪安裝機構、后輪；

所述電控箱安裝在車身部分的腔體內，用于安裝電控及供電部件；

所述前輪轉向機構安裝在車頭部分，用于傳動前輪的轉向運動；

所述前輪安裝機構安裝在前輪轉向機構上，用于給前輪提供安裝支架；

所述前輪安裝在前輪安裝機構上，用于作為機器人的承重輪以及改變機器人的轉向；

所述后輪安裝機構安裝在車尾部分，用于給后輪提供安裝支架。

進一步地，一種縱向兩輪自平衡機器人控制系統，安裝在如上所述的一種縱向兩輪自平衡機器人上，包括：

主控制單元，安裝在電控箱內，分別與雙陀螺平衡部件、舵機驅動單元、后輪驅動單元、人機交互單元、信息檢測單元、供電單元連接，用于控制機器人動作以及讀取檢測信號；

雙陀螺平衡部件，安裝在車身部分的內腔里，用于保持機器人的平衡；

舵機驅動單元，安裝在車頭部分，包括依次電連接的舵機、舵機驅動器，用于驅動前輪轉向機構從而改變前輪轉向的角度大小；

后輪驅動單元，安裝在后輪安裝機構，用于驅動后輪前進、后退以及剎車；

人機交互單元，安裝在車頭部分，用于顯示電控系統的各種信息以及響應用戶的操作輸入；

信息檢測單元，安裝在機器人相應的檢測位，分別與雙陀螺平衡部件、舵機驅動單元、后輪驅動單元連接，用于檢測機器人各種運動參數；

供電單元，安裝在電控箱內，分別與雙陀螺平衡部件、舵機及驅動模塊、后輪驅動單元、人機交互單元、信息檢測單元，用于給整個系統供電以及對電源進行管理。

進一步地，所述主控制單元包括：

微處理器，分別與信號調理電路、存儲區域、工作指示器連接，用于實現機器人自平衡控制算法，用于數據處理和發送命令，用于與外部功能模塊進行通信；

信號調理電路，用于各路傳感器信號的濾波、放大和采集；

存儲區域，用于保存初始化配置參數，實時記錄操作過程中的狀態數據；

工作指示器，用于指示系統成功運行或故障報警。

進一步地，所述雙陀螺平衡部件包括：

兩個飛輪，固定安裝在車身部分，用于在高速自轉時產生保持機器人平衡的陀螺力矩；

兩個無刷電機，一對一地與兩個飛輪安裝連接，用于驅動兩個飛輪高速自轉；

無刷電調裝置，分別與兩個無刷電機電連接，用于調節無刷電機的轉速；

飛輪同步偏轉裝置，用于實現兩個飛輪以相反方向的同步偏轉從而自平衡的陀螺力矩，同時抵消單飛輪效應存在的不利力矩；

飛輪偏轉電機驅動單元，包括依次電連接的飛輪偏轉電機、飛輪偏轉電機驅動器，用于驅動飛輪同步偏轉裝置。

進一步地，所述供電單元包括依次連接的充電電池組、電源管理模塊；

所述充電電池組，安裝在電控箱內，用于提供直流電源給機器人；

所述電源管理模塊，安裝在電控箱內，用于管理與監測充電電池組。

進一步地，所述后輪驅動單元包括依次電連接的輪轂電機、輪轂電機驅動器；

所述輪轂電機，與所述后輪進行機械連接，用于驅動機器人后輪的前后運動；

所述輪轂電機驅動器，用于控制輪轂電機的啟停、轉速和剎車。

進一步地，所述信息檢測單元包括：

飛輪轉速檢測傳感器，分別與所述飛輪、所述信號調理電路連接，用于測量飛輪自轉時的轉速并將測量參數反饋到所述主控制單元；

飛輪偏轉運動檢測傳感器，分別與所述飛輪偏轉電機、所述信號調理電路連接，用于測量飛輪產生進動時偏轉角度和角速度并將測量參數反饋到所述主控制單元；

姿態儀，安裝在機器人上，與所述信號調理電路連接，用于測量縱向兩輪平衡機器人側向傾斜角度和角速度并將測量參數反饋到所述主控制單元；

后輪轉速檢測傳感器，分別與所述輪轂電機、所述信號調理電路連接，用于測量后輪的轉速并將測量參數反饋到所述主控制單元；

前輪轉向角度檢測傳感器，分別與所述舵機、所述信號調理電路連接，用于測量前輪轉向的角度和角速度并將測量參數反饋到所述主控制單元；

避障傳感器，安裝在車頭部分的最前端，與所述信號調理電路連接，用于測量障礙物的距離并將測量參數反饋到所述主控制單元。

進一步地，所述人機交互單元包括高清攝像頭、觸摸屏、WIFI通信模塊；

所述高清攝像頭，安裝在車頭部分的最前端，與WIFI通信模塊連接，用于獲取路況以及障礙物信息等并將信息傳輸到WIFI通信模塊；

所述觸摸屏，與所述主控制單元連接，用于實時顯示機器人整個狀態信息，同時響應用戶操作事件。

所述WIFI通信模塊，分別與所述主控制單元、高清攝像頭連接，用于回傳機器人的狀態信息至計算機或移動終端中，同時接收計算機或移動終端的命令與數據，包括TTL串口、USB接口；

所述TTL串口，通過協議轉換等方式與所述主控制單元連接，用于將WIFI通信模塊83接收到的電腦端或移動終端的控制命令轉發給所述主控制單元，配置機器人的工作參數，同時回傳機器人工作狀態數據至計算機或移動終端；

所述USB接口，與高清攝像頭的USB口連接，用于通過WIFI信號將高清攝像頭圖像傳輸至計算機或移動終端。

進一步地，所述微處理器包括依次連接的CPU核心、外設接口；

所述CPU核心，為ARM控制器，用于計算與控制機器人自平衡過程，用于采集與處理各路傳感器數據，用于處理接收與發送的命令，用于ADC轉換，用于產生不同頻率、占空比的PWM波；

所述外設接口，用于CPU核心與外部功能模塊之間的數據與命令傳輸，包括以下至少一種接口：

普通I/O口，分別與飛輪轉速檢測傳感器、后輪轉速檢測傳感器、前輪轉向角度檢測傳感器、飛輪偏轉運動檢測傳感器、避障傳感器連接，用于獲取飛輪轉速檢測傳感器與后輪轉速檢測傳感器的數字信號、前輪轉向角度檢測傳感器與飛輪偏轉運動檢測傳感器的模擬信號、避障傳感器的脈沖信號；

光耦隔離I/O口，分別與無刷電調裝置、輪轂電機驅動器、舵機驅動器、飛輪偏轉電機驅動器連接，用于使能信號控制無刷電調裝置、輪轂電機驅動器、舵機驅動器和飛輪偏轉電機驅動器的；

UART接口，與姿態儀連接，用于讀取姿態儀中機器人姿態信息與傾斜角速度數據，用于與WIFI通信模塊以接收計算機或移動終端的命令或者回傳機器人工作狀態數據；

RS485接口，與觸摸屏連接，用于與觸摸屏的通信以實時顯示機器人狀態信息，同時響應用戶操作事件。

進一步地，所述觸摸屏包括：

命令操作區域，用于向所述微處理器發送相應的控制命令，包括系統復位按鈕、飛輪啟停按鈕和機器人運動按鈕等；

信息顯示區域，用于顯示機器人當前的工作狀態信號；

配置區域，用于顯示與設置各參數值。

進一步地，本發明實現自平衡與自主避障的工作流程如下：

(1)系統上電啟動后，用戶可通過計算機或移動終端或觸摸屏，可讀取與設置各項參數值；

(2)用戶按下飛輪啟停按鈕，無刷電機驅動兩個飛輪由靜止開始加速運轉，使兩個飛輪朝相反的方向自轉，直至兩個飛輪超過特定轉速且保持恒速運轉，而飛輪自轉的速度由飛輪轉速檢測傳感器測量，然后由主控制單元實時顯示在計算機或移動終端或觸摸屏上；

(3)當飛輪達到恒速運轉后，飛輪偏轉電機自動開始旋轉，通過飛輪同步偏轉裝置使兩個飛輪同步朝相反方向產生進動，從而產生用于縱向兩輪自平衡機器人自動平衡的陀螺力矩；

(4)主控制單元通過飛輪偏轉運動檢測傳感器不斷獲取飛輪偏轉的角度和角速度值，同時使飛輪來回地朝一個方向產生加大偏轉運動的角速度，從而使產生的陀螺力矩不斷增大，直至其大小能夠抵抗令縱向兩輪自平衡機器人產生傾斜的重力距為止；

(5)當縱向兩輪自平衡機器人由傾斜狀態運動到平衡位置時，主控制單元開始使飛輪減速地朝先前相反方向偏轉，用于抵消縱向兩輪自平衡機器人恢復過程中的慣性力矩，接著不斷往復這一個過程，最終縱向兩輪自平衡機器人將保持在平衡位置；

(6)在縱向兩輪自平衡機器人受到一定程度的側向沖擊力或非對稱負載時，縱向兩輪自平衡機器人的平衡策略與步驟(1-5)類似；

(7)當按下機器人運動按鈕后，用戶可通過計算機或移動終端或觸摸屏控制縱向兩輪自平衡機器人前進還是后退，而運動速度可以由用戶自行設置，由后輪轉速檢測傳感器測量并實時顯示在終端上；

(8)當避障傳感器檢測到運動方向有障礙物時，主控制單元上的工作指示器開始報警，然后，縱向兩輪自平衡機器人根據障礙物的距離自行調整后輪驅動速度，同時通過舵機控制前輪轉向機構轉向來規避障礙物；

(9)轉向的角度由障礙物距離和后輪驅動速度共同決定，而實際轉向的角度和角速度由前輪轉向角度檢測傳感器檢測，供主控制單元進行算法處理。

本發明縱向兩輪自平衡機器人基于雙飛輪陀螺效應原理實現自平衡，其控制系統采用自適應控制算法以及通過在線辨識使模型逐漸接近實際，從而使縱向兩輪自平衡機器人在受到一定程度側向撞擊力時可自動恢復到平穩狀態，在承受一定程度非對稱負載時可保持平穩狀態，在遇到明顯的障礙物時可實現自動避障，且具有功能響應速度快、修正力矩大、能耗低，噪聲小的優點。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明一種縱向兩輪自平衡機器人的結構示意圖；

圖2是本發明一種縱向兩輪自平衡機器人控制系統的結構示意圖；

具體實施方式

為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面將結合附圖和具體的實施例對本發明的技術方案進行詳細說明。需要指出的是，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例，基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

如圖1所示，一種縱向兩輪自平衡機器人，包括依次連接的車頭部分、車身部分、車尾部分，還包括電控箱11、前輪轉向機構12、前輪安裝機構13、前輪14、后輪安裝機構15、后輪16；

所述電控箱11安裝在車身部分的腔體內，用于安裝電控及供電部件；

所述前輪轉向機構12安裝在車頭部分，用于傳動前輪14的轉向運動；

所述前輪安裝機構13安裝在前輪轉向機構12上，用于給前輪14提供安裝支架；

所述前輪14安裝在前輪安裝機構13上，用于作為機器人的承重輪以及改變機器人的轉向；

所述后輪安裝機構15安裝在車尾部分，用于給后輪16提供安裝支架。

如圖1、圖2所示，一種縱向兩輪自平衡機器人及控制系統，安裝在如上所述的一種縱向兩輪自平衡機器人上，包括：

主控制單元，安裝在電控箱11內，分別與雙陀螺平衡部件、舵機驅動單元、后輪驅動單元、人機交互單元、信息檢測單元、供電單元51連接，用于控制機器人動作以及讀取檢測信號；

雙陀螺平衡部件，安裝在車身部分的內腔里，用于保持機器人的平衡；

舵機驅動單元，安裝在車頭部分，包括依次電連接的舵機41、舵機驅動器，用于驅動前輪轉向機構12從而改變前輪14轉向的角度大小；

后輪驅動單元，安裝在后輪安裝機構15，用于驅動后輪16前進、后退以及剎車；

人機交互單元，安裝在車頭部分，用于顯示電控系統的各種信息以及響應用戶的操作輸入；

信息檢測單元，安裝在機器人相應的檢測位，分別與雙陀螺平衡部件、舵機驅動單元、后輪驅動單元連接，用于檢測機器人各種運動參數；

供電單元，安裝在電控箱11內，分別與雙陀螺平衡部件、舵機及驅動模塊、后輪驅動單元、人機交互單元、信息檢測單元，用于給整個系統供電以及對電源進行管理。

所述主控制單元包括：

信號調理電路，用于各路傳感器信號的濾波、放大和采集；

存儲區域，用于保存初始化配置參數，實時記錄操作過程中的狀態數據；

工作指示器，用于指示系統成功運行或故障報警。

如圖1、圖2所示，所述雙陀螺平衡部件包括：

兩個飛輪31，固定安裝在車身部分，用于在高速自轉時產生保持機器人平衡的陀螺力矩；

兩個無刷電機32，一對一地與兩個飛輪31安裝連接，用于驅動兩個飛輪31高速自轉；

無刷電調裝置，分別與兩個無刷電機32電連接，用于調節無刷電機32的轉速；

飛輪同步偏轉裝置34，用于實現兩個飛輪31以相反方向的同步偏轉從而自平衡的陀螺力矩，同時抵消單飛輪陀螺效應存在的不利力矩；

飛輪偏轉電機驅動單元，包括依次電連接的飛輪偏轉電機33、飛輪偏轉電機驅動器，用于驅動飛輪同步偏轉裝置34。

如圖1、圖2所示，所述供電單元51包括依次連接的充電電池組、電源管理模塊；

所述充電電池組，安裝在電控箱11內，用于提供直流電源給機器人；

所述電源管理模塊，安裝在電控箱11內，用于管理與監測充電電池組。

所述后輪驅動單元包括依次電連接的輪轂電機61、輪轂電機驅動器；

所述輪轂電機61，與所述后輪16進行機械連接，用于驅動機器人后輪16的前后運動；

所述輪轂電機驅動器，用于控制輪轂電機61的啟停、轉速和剎車。

如圖1、圖2所示，所述信息檢測單元包括：

飛輪轉速檢測傳感器71，分別與所述飛輪31、所述信號調理電路連接，用于測量飛輪31自轉時的轉速并將測量參數反饋到所述主控制單元；

飛輪偏轉運動檢測傳感器75，分別與所述飛輪偏轉電機32、所述信號調理電路連接，用于測量飛輪31產生進動時偏轉角度和角速度并將測量參數反饋到所述主控制單元；

姿態儀，安裝在機器人上，與所述信號調理電路連接，用于測量縱向兩輪平衡機器人側向傾斜角度和角速度并將測量參數反饋到所述主控制單元；

后輪轉速檢測傳感器72，分別與所述輪轂電機61、所述信號調理電路連接，用于測量后輪16的轉速并將測量參數反饋到所述主控制單元；

前輪轉向角度檢測傳感器74，分別與所述舵機41、所述信號調理電路連接，用于測量前輪14轉向的角度和角速度并將測量參數反饋到所述主控制單元；

避障傳感器73，安裝在車頭部分的最前端，與所述信號調理電路連接，用于測量障礙物的距離并將測量參數反饋到所述主控制單元。

如圖1、圖2所示，所述人機交互單元包括高清攝像頭81、觸摸屏82、WIFI通信模塊；

所述高清攝像頭81，安裝在車頭部分的最前端，與WIFI通信模塊83連接，用于獲取路況以及障礙物信息等并將信息傳輸到WIFI通信模塊83；

所述觸摸屏82，與所述主控制單元連接，用于實時顯示機器人整個狀態信息，同時響應用戶操作事件；

所述WIFI通信模塊83，分別與所述主控制單元、高清攝像頭81連接，用于回傳機器人的狀態信息至計算機或移動終端中，同時接收計算機或移動終端的命令與數據，包括TTL串口、USB接口；

所述USB接口，與高清攝像頭81的USB口連接，用于通過WIFI信號將高清攝像頭圖像傳輸至計算機或移動終端。

如圖1、圖2所示，所述微處理器包括依次連接的CPU核心、外設接口；

所述外設接口，用于CPU核心與外部功能模塊之間的數據與命令傳輸，包括以下至少一種接口：

普通I/O口，分別與飛輪轉速檢測傳感器71、后輪轉速檢測傳感器72、前輪轉向角度檢測傳感器74、飛輪偏轉運動檢測傳感器75、避障傳感器73連接，用于獲取飛輪轉速檢測傳感器71與后輪轉速檢測傳感器72的數字信號、前輪轉向角度檢測傳感器74與飛輪偏轉運動檢測傳感器75的模擬信號、避障傳感器73的脈沖信號；

光耦隔離I/O口，分別與無刷電調裝置、輪轂電機驅動器、舵機驅動器、飛輪偏轉電機驅動器連接，用于使能信號控制(即輸出PWM信號調節)無刷電調裝置、輪轂電機驅動器、舵機驅動器和飛輪偏轉電機驅動器的；

UART接口，與姿態儀連接，用于讀取姿態儀中機器人姿態信息與傾斜角速度數據，用于與WIFI通信模塊83以接收計算機或移動終端的命令或者回傳機器人工作狀態數據；

RS485接口，與觸摸屏82連接，用于與觸摸屏82的通信以實時顯示機器人狀態信息，同時響應用戶操作事件。

如圖1、圖2所示，所述觸摸屏82包括：