一种搭载平面倒立摆的全向移动机器人及控制方法与流程

本发明涉及一种全向移动机器人以及平面倒立摆控制系统，即在全向移动机器人上实现倒立摆控制系统。本发明可作为一种控制思想以及控制算法的研究的工具，可用于军工、航天、机器人和一般工业过程领域的研究。

技术背景

倒立摆是一种复杂的非线性控制系统，具有强耦合，多变量，不稳定等特点，能作为新型控制思想，新型控制算法的理论教学及开展各种实验的理想工具，起到验证算法的重要作用。近年来，智能控制算法、自适应算法以及模糊控制算法等现代控制算法兴起，使得倒立摆控制系统变得越来越重要，倒立摆控制系统可以作为这些新算法的重要研究工具。

全向移动机器人也是新技术，由于其安装了全向轮，有着能无转弯半径转弯，移动方向能随时改变的特点，成为热门的研究对象。

倒立摆系统通常分为直线倒立摆系统，环形倒立摆系统，平面倒立摆系统。本专利为平面倒立摆系统，而本专利的特点在于将平面倒立摆与全向移动机器人结合起来，即通过全向移动小车的水平方向的移动来实现固定于机器人上方的平面倒立摆摆杆的倒立。

技术实现要素：

为实现上述功能，本发明采用如下技术方案实现：

一种搭载平面倒立摆的全向移动机器人，其特征在于，包括全向移动机器人和平面倒立摆。摆杆能够在倒立状态下以底部万向节为支点往任意方向自由下摆，控制器通过姿态传感器读取摆杆与竖直方向的倾角与方向，通过运算得出输出值，输出给三个电机驱动控制信号，从而控制电机的正反转和转速，进而控制全向移动机器人的速度大小和方向，使摆杆保持倒立状态。

在上述的一种搭载平面倒立摆的全向移动机器人，全向移动机器人包括三个全向轮，三个电机，一个控制器，三个电机驱动，一个小车底盘，三个电机轴承座，三个联轴器，三个编码器。三个电机与三个全向轮两两组合，并且呈三角形分布，全向轮在小车底盘外，电机在小车底盘内。电机一端与全向轮通过联轴器连接，而且电机通过电机轴承座固定在小车底盘上，电机另一端与编码器相连。控制器与三个电机驱动固定在在小车底盘上方。

在上述的一种搭载平面倒立摆的全向移动机器人，平面倒立摆包括摆杆，万向节，姿态传感器。万向节的一端与小车底盘相连，固定于小车底盘中央，另一端与摆杆一端相连，摆杆可以以万向节为圆心向任意方向自由下摆。姿态传感器固定在摆杆的任意部位测取数据，且与摆杆相平行。

在上述的一种搭载平面倒立摆的全向移动机器人，控制器包括微处理器stm32以及与微处理器stm32连接的外围控制电路，还包括给整个机器人供电的电源模块。该控制器的结构包括微处理器和其外围控制电路以及电源模块为一般的传统公知的电路拓扑。

在上述的一种搭载平面倒立摆的全向移动机器人，电机驱动包括依次连接的开关器件、缓冲保护芯片；所述缓冲保护芯片还连接有外围缓冲电路，电机驱动由pwm信号控制。该电机驱动的结构包括依次连接的开关器件、缓冲保护芯片以及外围缓冲电路为一般的传统公知的电路拓扑。

一种搭载平面倒立摆的全向移动机器人的控制方法，其特征在于，包括：

步骤1，由电源模块给控制器和电机驱动供电，人为将摆杆竖直摆放，等待一会儿，初始化完成后松开，使得摆杆以万向节为圆心向任意方向自由下摆；

步骤2，姿态传感器读取摆杆与竖直方向的倾角与方向，并将数据传送给控制器；

步骤3，控制器在一个控制周期内采集一次姿态传感器的数据，微处理器stm32通过滤波姿态解算算法，得到摆杆的精确姿态数据，即摆杆与竖直方向的倾角以及摆杆下摆的角速度；

步骤4，控制器通过得到的摆杆姿态数据基于微处理器stm32运算得到控制量输出值，并且通过pwm口输出六路pwm控制信号；

步骤5，六路pwm控制信号输入至三个电机驱动，通过电机驱动控制三个电机，以控制全向移动机器人的运动速度大小以及运动方向；

步骤6，全向移动机器人做出移动，摆杆下方与全向移动机器人相连的万向节也随着移动，由于惯性的作用，摆杆的上方会有停留在原地的趋势，摆杆会抗拒它自身在竖直方向的运动趋势；

步骤7，摆杆趋于倒立且稳定，一旦有外部干扰或其他原因破坏整个系统的稳定，摆杆又会倒下，重复步骤2至步骤7.

搭载平面倒立摆的全向移动机器人，包括全向移动机器人和平面倒立摆。摆杆可以在倒立状态下以底部万向节为支点往任意方向自由下摆，姿态传感器读取摆杆与竖直方向的倾角与方向，并且传送给控制器，控制器通过运算得出输出值，输出给三个电机驱动pwm控制信号，从而控制电机的正反转和转速，进而控制全向移动机器人的速度大小和方向，最终使摆杆保持倒立状态。

本发明与现有发明的不同之处在于，将现有的平面倒立摆装置以及全向机器人结合起来，成为一种新的复杂控制系统，可作为教学、科研的理想工具，可推动控制算法的发展。

附图说明

图1为本发明的整体控制系统电路拓扑图。

图2a为搭载平面倒立摆的全向移动机器人主视结构示意图。

图2b为搭载平面倒立摆的全向移动机器人立体结构示意图。

图3为本发明的具体实施流程图。

具体实施方式

一、首先介绍一下本发明的结构。

如图1、2a、2b所示，本发明包括全向移动机器人1和平面倒立摆2，摆杆3能够在倒立状态下以底部万向节4为支点往任意方向自由下摆，控制器5通过姿态传感器6读取摆杆3与竖直方向的倾角与方向，通过运算得出输出值，输出给三个电机驱动13控制信号，从而控制电机8的正反转和转速，进而控制全向移动机器人1的速度大小和方向，使摆杆3保持倒立状态。

全向移动机器人1包括三个全向轮7，三个电机8，一个控制器5，三个电机驱动13，一个小车底盘12，三个电机轴承座11，三个联轴器10，三个编码器9；三个电机8与三个全向轮7两两组合，并且呈三角形分布，全向轮7在小车底盘12外，电机8在小车底盘12内；电机8一端与全向轮7通过联轴器10连接，而且电机8通过电机轴承座11固定在小车底盘12上，电机8另一端与编码器9相连；控制器5与三个电机驱动13固定在在小车底盘12上方。

平面倒立摆2包括摆杆3，万向节4，姿态传感器6，万向节4的一端与小车底盘12相连，固定于小车底盘12中央，另一端与摆杆3一端相连，摆杆3可以以万向节4为圆心向任意方向自由下摆，姿态传感器6固定在摆杆3的任意部位测取数据，且与摆杆3相平行。控制器5包括微处理器stm32以及与微处理器stm32连接的外围控制电路，还包括给整个机器人供电的电源模块。电机驱动13包括依次连接的开关器件、缓冲保护芯片；所述缓冲保护芯片还连接有外围缓冲电路，电机驱动13由pwm信号控制。

二、下面介绍一下本发明的操控方法。

在实验过程中，人为将平面倒立摆摆杆倒立至竖直状态，打开电源，待控制器初始化完毕，放开摆杆，此时，摆杆以万向节为中心往某个方向下摆，该方向由摆杆自身由竖直方向的偏角决定。

摆杆上固定的姿态传感器不断地输出摆杆姿态，包括角加速度以及角速度，同时控制器在一个控制周期内采集一次姿态传感器的数据，通过解四元素等其他滤波姿态解算算法，得到摆杆的精确姿态，即摆杆与竖直方向的倾角以及摆杆下摆的角速度。

控制器将得到的摆杆姿态数据传递至控制算法，通过运算得到控制量输出值，并且通过pwm口输出六路pwm控制信号。

六路pwm控制信号输入至电机驱动器，通过电机驱动器控制三个电机，以控制全向移动机器人的运动速度大小以及运动方向。

随着全向移动机器人的移动，摆杆下方与机器人相连的部位随着移动，由于惯性的作用，倒立摆摆杆的上方会有停留在原地的趋势，摆杆会抗拒它自身在竖直方向的运动趋势，所以摆杆趋于倒立，因此科学地控制全向移动机器人的速度可实现摆杆的持续倒立。

如图3具体实施流程图所示。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。