單球輪移動機器人控制器的設計與實現XXG20128259

XX副教授工程碩士單接觸點多自由度以球體為驅動輪全方位移動CONCEPT球上自平衡機器人對比普通輪式機器人占地面積小全方向移動人機交互更靈活對于科研本身多變量強耦合非線性RESEARCHMEANING理想實驗平臺課題內容主體步進電機全向輪驅動球機械結構設計控制器硬件設計主體姿態解算控制算法研究系統軟件設計單球輪移動機器人控制器的設計與實現機械結構設計單球輪移動機器人控制器的設計與實現Y

X電機1電機2電機3

底盤步進電機萬向輪α=120°β=45°底盤孔洞中心對稱，重心過球心結構分層，便于放置硬件步進電機步進電機驅動器機器人控制器萬向輪塑料底盤

機器人控制板步進電機驅動器PVB塑料板QL萬向輪步進電機控制器硬件設計單球輪移動機器人控制器的設計與實現機器人供電姿態信息采集步進電機控制數據存儲與上位機通訊供電供電RS232接口RS232接口I2C接口三軸角速度數據三軸加速度數據PWM脈沖微控制器（MCU）

步進電機驅動器步進電機機器人本體六軸姿態傳感器數據存儲TF卡姿態顯示上位機WIFI模塊

控制調試上位機

電壓變換

36V供電電壓SDIO接口姿態檢測模塊步進電機控制電路內存卡電源電路STM32WIFI模塊USB主體姿態解算單球輪移動機器人控制器的設計與實現加速度計數據處理陀螺儀數據處理姿態角度融合測量主體偏移平衡位置的角度測量主體空間移動的角速度橫滾角俯仰角加速度模參數加速度計陀螺儀低通/均值濾波卡爾曼/均值濾波姿態解算四元數/歐拉角互補濾波主體姿態解算單球輪移動機器人控制器的設計與實現加速度計數據處理受到電機振動干擾的加速度計X軸原始數據曲線切比雪夫I型濾波器濾波后的X軸數據曲線切比雪夫I型低通濾波器階數：n=3通帶允許最大衰減αp=1dB阻帶最小衰減αs=30dB通帶截止頻率約為ωp=5Hz阻帶下限截止頻率約為ωs=15Hz濾波器幅頻特性曲線主體姿態解算單球輪移動機器人控制器的設計與實現陀螺儀數據處理均值濾波器開啟電機并運動時，繞X軸旋轉角速度原始數據曲線開啟電機并運動時，繞X軸旋轉角速度經均值濾波后數據曲線主體姿態解算單球輪移動機器人控制器的設計與實現姿態融合互補濾波自適應參數其中互補濾波生成橫滾角曲線控制算法研究單球輪移動機器人控制器的設計與實現使用步進電機作為驅動電機，力矩控制困難系統模型復雜，建模工作量大模糊PD算法控制算法研究單球輪移動機器人控制器的設計與實現屬性實際范圍論域范圍量化/比例因子輸入角度[-5°,

+5°][-6,-5,…,5,6]1.2輸入角速度[-0.5rad/s,+0.5rad/s][-6,-5,…,5,6]12輸出Kp[0,20][0,1,2,…,6]10/3輸出Kd[0,5][0,1,2,…,6]5/6輸入量E的隸屬度函數曲線Kp與輸入量E、EC的關系圖Kd與輸入量E、EC的關系圖系統軟件設計單球輪移動機器人控制器的設計與實現系統屬性開發工具：KeiluVision3.0開發語言：C語言系統時鐘周期：1.672ms軟件組成系統初始化接口通訊程序姿態數據處理程序運動控制程序數據存儲程序5V電源3.3V電源36V電源WIFI電源硬件上電測試姿態解算測試電機驅動測試WIFI通訊測試數據存儲測試系統測試單球輪移動機器人控制器的設計與實現機器人平衡測試單球輪移動機器人控制器的設計與實現CONCLUSION結論以STM32為控制核心，傳感器MPU6050為檢測裝置，步進電機為驅動裝置，模糊PD算法進行控制，能夠有效實現對單球輪移動機器人的平衡控制；問題傳感器濾波、融合算法需要改進；模糊PD算法需要進一步優