第5章機器人運動行駛智慧物流系統：從設計到實現教學內容CONTENTS3電機驅動2電機原理4PID控制算法1物流機器人運動方式3

章節目標掌握物流機器人的結構設計及其運動方式；了解直流有刷電機的構成與基本控制原理；學習并掌握直流有刷電機的控制算法。41物流機器人運動方式移動機器人的分類①移動機器人按照移動方式可分為輪式機器人、履帶式機器人、腿式機器人等；②移動機器人按照移動特性又可分為非全方位移動機器人和全方位移動機器人兩類。物體在平面上的移動可產生前后、左右和自轉3個自由度的運動。若所具有的自由度少于3個,則為非全方位移動機器人；若具有3個自由度，則稱為全方位移動機器人。物流機器人屬于輪式移動機器人，它的結構主要有三輪結構、四輪結構、全方位移動結構。51物流機器人運動方式輪式結構三輪結構：包括后輪驅動、前輪轉向、前輪轉向兼前輪驅動及兩輪差速驅動，能實現移動機器人的自由運動；四輪結構：主要是四輪驅動及轉向，全方位移動機構主要包括麥克納姆輪及舵輪獨立轉向。本書中的物流機器人采用的是兩動力輪和兩萬向輪的四輪結構。6物流機器人底盤結構物流場地的導引線均為直線，因此物流機器人的運動方式比較單一，運動方式只有前進、后退、原地轉向90度或180度。物流機器人在運動結構設計上采用了雙輪差速驅動的結構設計，兩個動力輪在機器人底盤的中間位置，前后設計可輔助萬向輪進行平衡。雙輪差速驅動系統，差速的動力輪直接與減速電機相連，結構簡單，控制起來十分得方便。1物流機器人運動方式71物流機器人運動方式物流機器人運動控制一、行走控制物流機器人中用到的雙輪行走控制只要求直線行走，因此控制兩個輪子同時向同一個方向轉動即可。81物流機器人運動方式物流機器人運動控制二、轉向控制物流機器人中用到的轉向控制只要求原地轉向，因此控制兩個輪子同時向不同方向轉動即可。92電機原理直流有刷電機物流機器人使用了有刷直流減速電機作為行走的動力電機，電機型號為JGA12-N20，該型電機由減速箱、電機和編碼器三部分組成。JGA12-N20型直流有刷減速電機102電機原理直流有刷電機①由直流電驅動的電機即為直流電機。②

有刷電機源自于電機的組成原理。直流減速電機由以下幾項構成：定子、轉子和機座。定子是電機磁場靜止的部分，在所使用到的電機中即為和外殼固定在一起的兩塊磁體部分。轉子即電機工作時轉動的部分，在所使用的電機中即為繞有線圈的鐵芯。機座部分是用來固定供電的電刷。112電機原理直流有刷電機有刷電機采用機械換向，磁極不動，線圈旋轉。電機工作時，線圈和換向器旋轉，磁鋼和碳刷不轉，線圈電流方向的交替變化是隨電機轉動的換向器和電刷來完成的。有刷直流電機結構及工作原理122電機原理直流有刷電機①有刷直流電機有著眾多的優點，結構簡單、造價便宜，只需施加直流電壓即可使電機轉動，調壓調速方便，反轉電壓極性會即刻反轉旋轉方向，低速時可輸出高扭矩。②有刷直流電機也有顯著的缺點，由于電刷的磨損，使用壽命較短，并且電刷和換向器在轉動時會產生電弧，導致大量的電氣噪聲進入控制系統，這對于在同一系統中工作的微控制器或傳感器容易造成極大的干擾。換向器之間的物理接觸意味著兩個部件之間存在摩擦，摩擦產生的熱量限制了電機轉動，因此，電機的轉動速度不能過快。133電機驅動直流電機的調速方式①改變電機兩端的電壓②改變磁通量③串入調節電阻由于經濟性和適用性的原因，變電壓調速是最常用的方法。在電機的控制中，不僅需要控制電機的轉速，還需要控制電機的旋轉方向，這個時候就需要用到脈寬調制（PWM）和H橋兩種技術的搭配。14H橋的接法把電機接到1,2,3,4四個開關的中間位置，這個時候4個開關和電機剛好組成1個H字母的樣子，因此叫做H橋。3電機驅動15電機正向轉動3電機驅動當把開關1和4閉合，保持開關2和3斷開的時候，電機就接入了回路中，電流流過電機開始向一個方向轉動，這種電流流向被定義為正向轉動。16電機反向旋轉3電機驅動當把開關2和3閉合，保持開關1和4斷開的時候，電機接入了反向回路中，電流流過電機開始向另一個方向轉動，這種電流流向被定義為反向轉動。17H橋的接法需要注意的是同一側的兩個開關不能同時閉合，如果同時閉合會造成短路，直接燒壞電源。僅僅利用開關的閉合只能控制電機的旋轉與停止，無法控制速度。3電機驅動18實際使用的H橋電路電機是感性元件，由于線圈內的電流不會隨著外部電壓的消失而瞬間消失，因此可以通過控制開關閉合和斷開的頻率及控制導通的時間，達到等效控制電壓的目的。由于需要的頻率很高，在KHz級別，因此開關就不適用了，這時候把開關換成MOS管，可支持較高的開關頻率，這樣就形成了電機驅動的基本H橋電路。3電機驅動19實際使用的H橋電路H橋MOS管的閉合和斷開只需要用高低電平就可以控制，具體的表現形式為不同占空比的方波。占空比即為單個高電平時間占周期的比例，占空比越大電機兩端的有效電壓就越接近電源電壓，因此理論上可以實現0V到電源電壓之間的無極變化。這種技術就是脈寬調制技術（PWM，PulseWidthModulation）。3電機驅動203電機驅動PWM就是通過對一系列脈沖的寬度進行調制，等效出所需要的波形（包含形狀以及幅值），對模擬信號電平進行數字編碼，也就是說通過調節占空比的變化來調節信號、能量等變化，占空比就是在一個周期內，信號處于高電平的時間占據整個信號周期的百分比，例如方波的占空比就是50%。方波的波形通過PWM技術和H橋技術就可以完成了對電機轉速和轉向的同時控制，即構成了電機驅動。214PID控制算法PID控制物流機器人在運動的控制中采用了閉環控制的方式，簡單常用的閉環電機控制方式即為PID

控制。調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便，因此成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時使用PID控制技術最為方便。即當不完全了解一個系統和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合使用PID控制技術，實際應用中也有PI和PD控制。224PID控制算法PID控制框圖234PID控制算法PID控制比例（P）控制比例控制(P)是一種最簡單的控制方式，其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時，系統的輸出存在穩態誤差。244PID控制算法PID控制比例積分（PI）控制在積分控制(I)中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分（可看作誤差的累加）成正比關系。對一個自動控制系統，如果在進入穩態后存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項的輸出取決于輸入誤差信號的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。254PID控制算法PID控制比例微分（PD）控制在微分控制(D)中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩，其原因是存在較大慣性組件（環節）或有滯后(delay)組件，其變化總是落后于誤差的變化。解決辦法是