一種基于陀螺儀反饋的機(jī)器人舵機(jī)控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)器人舵機(jī)控制領(lǐng)域，涉及一種基于陀螺儀反饋的舵機(jī)控制系統(tǒng)，特別應(yīng)用于基于模糊混合邏輯的PID控制算法產(chǎn)生舵機(jī)校準(zhǔn)的驅(qū)動PWM波形，進(jìn)行實(shí)時的位置校準(zhǔn)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，人類生產(chǎn)工作強(qiáng)度越來越大，勞動力需求不斷增長，而個人勞動力資源有限，為緩解這種矛盾，人類開始在機(jī)器人領(lǐng)域展開研宄，希望借助機(jī)器人的高效性、執(zhí)行力來推動社會的進(jìn)步和生產(chǎn)力提高。機(jī)器人隸屬智能控制范疇，而機(jī)器人運(yùn)動控制是機(jī)器人能否邁向?qū)嵱玫年P(guān)鍵，環(huán)境參數(shù)采集、控制算法生成以及控制運(yùn)動走向是機(jī)器人智能運(yùn)動的起點(diǎn)，舵機(jī)的有效控制是直接影響機(jī)器人運(yùn)動的靈活性、時效性的核心?；谕勇輧x反饋的舵機(jī)控制系統(tǒng)以特殊直流電機(jī)(舵機(jī))為驅(qū)動設(shè)備，在舵機(jī)對機(jī)器人運(yùn)動執(zhí)行控制基礎(chǔ)上，利用陀螺儀進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動軌跡校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)其反饋補(bǔ)償控制，保證機(jī)器人具有更多自主性，具備根據(jù)環(huán)境變化自發(fā)調(diào)整自己行為，最大限度實(shí)現(xiàn)自配置、自優(yōu)化、自愈合、自保護(hù)。
[0003]目前傳統(tǒng)的舵機(jī)控制系統(tǒng)主要有:(I)基于電位計(jì)舵機(jī)控制，一般不作為新型機(jī)器人舵機(jī)控制，它僅能計(jì)算舵機(jī)轉(zhuǎn)速，缺乏反饋調(diào)整，因此控制系統(tǒng)缺乏目標(biāo)鎖定控制機(jī)制；同時定位精度也較低；(2)基于傳統(tǒng)PID控制的舵機(jī)控制系統(tǒng)，其采用精確的數(shù)學(xué)模型，具備控制結(jié)構(gòu)簡單、控制設(shè)計(jì)便捷、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但針對非線性系統(tǒng)、高階及存在時延的系統(tǒng)，其應(yīng)用舉步維艱；(3)基于模糊控制的舵機(jī)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)大部分僅來源于設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)，缺乏精確、嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，因此，模糊控制的可靠性、可控性以及穩(wěn)定性也深受關(guān)注。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對傳統(tǒng)舵機(jī)控制系統(tǒng)在非線性控制方面存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可控性大打折扣的上述不足，提供一種基于陀螺儀反饋的機(jī)器人舵機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)的反饋補(bǔ)償控制，保證機(jī)器人具有更多的自主性。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種基于陀螺儀反饋的機(jī)器人舵機(jī)控制系統(tǒng)，至少包括如下模塊:
[0007]傳感器模塊，用于在機(jī)器人運(yùn)動過程中實(shí)時采集機(jī)器人舵機(jī)的角速度、角位移信息，并將采集的角速度、角位移信息轉(zhuǎn)換成調(diào)理的模擬電壓信號輸出；
[0008]控制器模塊，包括PID控制器模塊和PWM信號產(chǎn)生模塊，所述PID控制器模塊用于將傳感器模塊采集的樣本參數(shù)進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)變成PID控制參數(shù)，PID控制器模塊采用基于模糊混合邏輯控制的PID控制算法對PWM信號進(jìn)行調(diào)節(jié)；PWM信號產(chǎn)生模塊，用于產(chǎn)生舵機(jī)驅(qū)動的PWM信號，PWM信號通過控制器模塊的GP1 口輸出；
[0009]上位機(jī)控制信令輸入模塊，用于實(shí)現(xiàn)上層控制信令的輸入；
[0010]舵機(jī)模塊；
[0011]電源模塊，用于為系統(tǒng)提供電源；
[0012]所述傳感器模塊與舵機(jī)模塊連接，傳感器模塊的輸出端與控制器模塊的AD接口連接，傳感器模塊通過AD接口與控制器模塊的PID控制器模塊的輸入端相連；PID控制器模塊的輸出端與PWM信號產(chǎn)生模塊的輸入端連接，PWM信號產(chǎn)生模塊的輸出端經(jīng)控制器模塊的GP1 口與舵機(jī)模塊連接；上位機(jī)控制信令輸入模塊通過串口通信與控制器模塊連接。
[0013]按上述方案，所述傳感器模塊采用Analog Device公司的小尺寸、薄型、低功耗的陀螺儀ADXL335加速度計(jì)芯片，內(nèi)部包含多晶硅表面微加工傳感器、信號調(diào)理電路，傳感器用于采集運(yùn)動機(jī)器人角速度、角位移信息，信號調(diào)理電路用于將角速度、角位移信息處理輸出X、Y、Z三通道與加速度成比例的模擬電壓信號。
[0014]按上述方案，所述控制器模塊采用工業(yè)級的32位ARM Cortex_M4處理器STM32F415 芯片。
[0015]按上述方案，所述PID控制器模塊包括PID控制器、模糊控制器，PID控制器將偏差信號處理后送往模糊控制器的微分接口，模糊控制器用于產(chǎn)生比例、積分、微分權(quán)值參數(shù)注入到PID控制器，PID控制器在接收到上述參數(shù)后，產(chǎn)生PWM信號的控制比例函數(shù)。
[0016]按上述方案，所述PWM信號產(chǎn)生模塊利用控制器模塊芯片內(nèi)部的定時器和計(jì)數(shù)器，通過定時器的基準(zhǔn)周期設(shè)計(jì)好相應(yīng)的定時器中斷次數(shù)，通過計(jì)數(shù)器累加中斷次數(shù)來控制輸出的信號的脈沖寬度，產(chǎn)生足夠驅(qū)動舵機(jī)預(yù)定值的PWM信號(即控制PWM波形有效寬度)。
[0017]按上述方案，所述舵機(jī)模塊選取Futuba S300舵機(jī)。
[0018]本發(fā)明的工作原理:將過程控制技術(shù)應(yīng)用到舵機(jī)控制系統(tǒng)中，通過陀螺儀實(shí)時地對運(yùn)動中的機(jī)器人角速度、角位移等信息進(jìn)行采集處理轉(zhuǎn)換為電壓信號，得到PID控制器模塊輸入信號，結(jié)合上位機(jī)控制信令或預(yù)設(shè)軌跡、經(jīng)過控制器模塊分析與處理(基于模糊混合邏輯控制的PID控制算法)，控制器模塊產(chǎn)生舵機(jī)控制的驅(qū)動信號PWM波形，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的實(shí)時位置校準(zhǔn)。
[0019]本發(fā)明的有益效果在于:
[0020]1、本發(fā)明針對非線性系統(tǒng)下過程控制結(jié)構(gòu)簡單、控制便捷、性能優(yōu)越特性大大折扣，算法穩(wěn)定時間不足問題，運(yùn)用陀螺儀實(shí)時數(shù)據(jù)采集技術(shù)，模糊邏輯控制技術(shù)、軟件PWM波形產(chǎn)生技術(shù)，通過深入系統(tǒng)的研宄運(yùn)動機(jī)器人靈活性、時效性的評定準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)的反饋補(bǔ)償控制，保證機(jī)器人具有更多的自主性，具備根據(jù)環(huán)境變化自發(fā)調(diào)整自己行為，最大限度地實(shí)現(xiàn)自配置、自優(yōu)化、自愈合、自保護(hù)，對機(jī)器人能否邁向?qū)嵱糜兄浅Ｖ匾囊饬x；
[0021]2、陀螺儀對機(jī)器人三維(X，Y, Z)運(yùn)動狀態(tài)的實(shí)時采集，并通過信號傳輸反饋給下位機(jī)。下位機(jī)對機(jī)器人實(shí)時運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行判斷。通過下位機(jī)對機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)跟預(yù)定值進(jìn)行比對，并對比對差值進(jìn)行舵機(jī)運(yùn)動控制的實(shí)時補(bǔ)償修正，從而大幅度的提高了舵機(jī)的運(yùn)動精度；
[0022]3、PID控制器模塊使用基于模糊混合邏輯控制的PID控制算法，克服傳統(tǒng)系統(tǒng)在具備結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越特性在非線性系統(tǒng)上大打折扣問題；算法穩(wěn)定時間也大幅度提升。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明基于陀螺儀反饋的機(jī)器人舵機(jī)控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明的工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0026]如圖1所示，本發(fā)明所述的基于陀螺儀反饋的機(jī)器人舵機(jī)控制系統(tǒng)，至少包括如下模塊:
[0027]傳感器模塊，用于在機(jī)器人運(yùn)動過程中實(shí)時采集機(jī)器人舵機(jī)的角速度、角位移信息，并將采集的角速度、角位移信息轉(zhuǎn)換成調(diào)理的模擬電壓信號輸出；傳感器模塊采用Analog Device公司的小尺寸、薄型、低功耗的陀螺儀ADXL335加速度計(jì)芯片，內(nèi)部包含多晶硅表面微加工傳感器、信號調(diào)理電路，傳感器用于采集運(yùn)動機(jī)器人角速度、角位移信息，信號調(diào)理電路用于將角速度、角位移信息處理輸出X、Y、Z三通道與加速度成比例的模擬電壓信號;
[0028]控制器模塊，包括PID控制器模塊和PWM信號產(chǎn)生模塊，所述PID控制器模塊用于將傳感器模塊采集的樣本參數(shù)進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)變成PID控制參數(shù)，PID控制器模塊采用基于模糊混合邏輯控制的PID控制算法對PWM信號進(jìn)行調(diào)節(jié)；PWM信號產(chǎn)生模塊，用于產(chǎn)生舵機(jī)驅(qū)動的控制信號；控制器模塊采用工業(yè)級的32位ARM Cortex-M4處理器STM32F415芯片；PID控制器模塊包括PID控制器、模糊控制器，PID控制器將偏差信號處理后送往模糊控制器的微分接口，模糊控制器用于產(chǎn)生比例、積分、微分權(quán)值參數(shù)注入到PID控制器，PID控制器在接收到上述參數(shù)后，產(chǎn)生PWM信號的控制比例函數(shù)；PWM信號產(chǎn)生模塊采用控制器模塊芯片內(nèi)部的定時器和計(jì)數(shù)器，通過定時器的基準(zhǔn)周期設(shè)計(jì)好相應(yīng)的定時器中斷次數(shù)，通過計(jì)數(shù)器累加中斷次數(shù)來控制輸出的信號的脈沖寬度，從而產(chǎn)生出足夠驅(qū)動舵機(jī)預(yù)定值的PWM信號(即控制PWM波形有效寬度)