雙輪機(jī)器人平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)資料

1、2012屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書題 目:雙輪直立智能機(jī)器人平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)目次1 概述 31.1 輪式智能機(jī)器人的研究背景及意義 31.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 31.3 課題研究?jī)?nèi)容 42 總體設(shè)計(jì)方案 42.1 雙輪智能平衡機(jī)器人的工作原理 52.2機(jī)器人平衡控制系統(tǒng)方案分析 63 微控制器和檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 73.1 S08 微控制器 73.2 角度和角速度檢測(cè)模塊 83.3 速度傳感器 114 驅(qū)動(dòng)電路及電源模塊設(shè)計(jì) 124.1 微型直流電機(jī) 124.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 124.3 電源模塊設(shè)計(jì) 135 軟件設(shè)計(jì) 145.1 S08AW60 微控制器資源配置 145.2 PID 控制原理 165.3 程

2、序設(shè)計(jì) 17總結(jié) 211 概述1.1 輪式智能機(jī)器人的研究背景及意義隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展， 人類進(jìn)入了數(shù)字化、 智能化時(shí)代， 計(jì)算機(jī)科學(xué)和 控制理論的發(fā)展為人類制造高度智能的仿真機(jī)器人提供了可能。 專家預(yù)言， 二十 一世紀(jì)將是機(jī)器人的時(shí)代。 從上個(gè)世紀(jì)八十年代開始， 機(jī)器人技術(shù)逐漸形成了一 個(gè)比較系統(tǒng)的科學(xué)體系，它將力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技 術(shù)、控制理論和算法等學(xué)科融為一體，不斷吸收其它相關(guān)學(xué)科的最新研究成果， 形成了一門獨(dú)立的高科技學(xué)科。移動(dòng)機(jī)器人是現(xiàn)代機(jī)器人中的一個(gè)重要的分支， 它能夠根據(jù)指定的命令， 自 主運(yùn)動(dòng)到特定位置， 具備對(duì)工作環(huán)境的感知和自我適應(yīng)、 運(yùn)動(dòng)的實(shí)

3、時(shí)決策以及自 身的行為控制等功能，它具有很高的軍事、商業(yè)價(jià)值 1 。近年來，移動(dòng)機(jī)器人已 經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用， 幾乎滲透到各個(gè)行業(yè)， 所實(shí)現(xiàn)的功能也是越來越復(fù)雜， 例如 應(yīng)用于核電站、軍事應(yīng)用、宇宙探索、防災(zāi)救災(zāi)、危險(xiǎn)品運(yùn)輸、地形勘探、海洋 開發(fā)等。輪式移動(dòng)機(jī)器人作為移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。 輪式移動(dòng)機(jī)器人比較 適合在狹窄和大轉(zhuǎn)角場(chǎng)合工作， 因此輪式移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用價(jià)值和理論價(jià)值都非 常高2 。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在二十世紀(jì)八十年代末， 日本東京電信大學(xué)自動(dòng)化系的山藤一雄教授最早提 出了雙輪直立自平衡機(jī)器人的設(shè)計(jì)思想， 并于 1996年在日本通過了專利申請(qǐng)。 如 圖1-1所示，機(jī)器人沿固定軌

4、道行走，不能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。所以其研究并沒有 受到太多人的重視。 直到本世紀(jì)初， 人們才重新關(guān)注兩輪直立平衡機(jī)器人， 各國(guó) 開始研發(fā)自己的兩輪智能平衡機(jī)器人。 國(guó)外的開發(fā)的機(jī)器人占了絕大部分， 處于 領(lǐng)先地位，國(guó)內(nèi)的機(jī)器人主要還處在理論研究階段，只開發(fā)了少數(shù)的原型機(jī)圖1-1早期自平衡機(jī)器人1.3課題研究?jī)?nèi)容本課題研究的主要內(nèi)容是微型直流電動(dòng)機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)，雙輪直立智能平衡 機(jī)器人的平衡控制系統(tǒng)兩方面內(nèi)容。雙輪智能平衡機(jī)器人的平衡控制系統(tǒng)采用 S08單片機(jī)作為控制器，采用傾角 傳感器和加速度傳感器組成姿態(tài)傳感器來檢測(cè)車體平臺(tái)的傾斜角度和傾倒速率， 運(yùn)用PWN脈寬調(diào)制技術(shù)控制驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)；姿態(tài)傳感

5、器的檢測(cè)輸出為反饋信號(hào)輸 送給控制器，根據(jù)反饋信號(hào)采用PID控制算法調(diào)節(jié)控制器輸出的PWM脈寬的占空 比，從而改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平衡。2總體設(shè)計(jì)方案兩輪直立智能平衡機(jī)器人根據(jù)運(yùn)動(dòng)特性可分為機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩個(gè)主 要部分，其中控制系統(tǒng)主要包括：電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)、電源電路以 及MCU控制器等。本設(shè)計(jì)主要研究智能平衡機(jī)器人的控制系統(tǒng)，其主要的任務(wù) 是:檢測(cè)機(jī)器人車體傾倒的角度和角速度，以及直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，調(diào)節(jié)機(jī)器人行進(jìn)的速度以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)的平衡控制。2.1雙輪智能平衡機(jī)器人的工作原理將雙輪直立平衡機(jī)器人系統(tǒng)簡(jiǎn)化成放置在可以左右移動(dòng)的車輪上的倒立擺模型，如圖2-1所示

6、。它具有三個(gè)自由度，分別是：以傾斜角度B為描述對(duì)象，繞x旋轉(zhuǎn)；以？為描述對(duì)象，繞z旋轉(zhuǎn)；以V1和Vr為描述對(duì)象，沿y軸方向的位 置移動(dòng)。其中，B為機(jī)器人體的傾斜角度，？為機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)角度，機(jī)器人左輪 的移動(dòng)速度為V|， Vr表示機(jī)器人右輪的移動(dòng)速度。圖2-1兩輪直立平衡機(jī)器人模型假設(shè)系統(tǒng)的參數(shù)為：m為機(jī)器人體質(zhì)量，左右輪的質(zhì)量為 mi二m，g為機(jī) 器人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以J .表示繞機(jī)器人體質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J|=Jr為輪子的轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量，R為輪子的半徑，L為機(jī)器人體質(zhì)心到兩輪軸間的距離， f為兩輪間距的半。系統(tǒng)的總動(dòng)能包括機(jī)器人體的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能 Ti，平動(dòng)動(dòng)能T2，左右輪的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能T3和平動(dòng)動(dòng)能T4，以及

7、車輪繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能T5。它們的表達(dá)式分別如下式所示:4mv2 vy1 2 1 2T3mMmrvr22T4Jr%Jiri221 1T5 = 2丄#2 = 2 m mr f2 2系統(tǒng)的總動(dòng)能T =1； T2 T3 T4 T51 R2G2L2Sin2日丄a 1品丄a丄品2 .2T =m2+ 一日Leos日R +Tr +日 L sin B 2 4f221+ 1 （m|R20|2+mrR2日r2 片 1 JrTr2 + 1 J： + J + 坤 +1（m+mr）f2222 2 2 2 2依據(jù)對(duì)雙輪直立機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可知：控制機(jī)器人車模直立平 衡的條件是能夠精確測(cè)量車模傾角的大小和傾倒角速度的

8、大小以及可以控制車 輪的加速度。2.2機(jī)器人平衡控制系統(tǒng)方案分析根據(jù)雙對(duì)輪直立智能機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析設(shè)計(jì)平衡控制系統(tǒng)。雙輪直立智能機(jī)器人的平衡控制系統(tǒng)采用 S08微控制器作為控制系統(tǒng)的核心控制器， 采用傾角傳感器和加速度傳感器組成姿態(tài)傳感器來檢測(cè)車體平臺(tái)的傾斜角度和 傾倒速率，采用光電碼盤測(cè)量機(jī)器人的行進(jìn)速度， 運(yùn)用PW脈寬調(diào)制技術(shù)控制直 流電機(jī)；姿態(tài)傳感器的檢測(cè)輸出為反饋信號(hào)輸送給控制器，根據(jù)反饋信號(hào)采用 PID控制算法調(diào)節(jié)控制器輸出的PW脈寬的占空比，從而改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速以 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平衡。，雙輪直立智能機(jī)器人平衡系統(tǒng)的組成如下圖 2-2所示：圖2-2平衡控制系統(tǒng)框圖3微控制器和

9、檢測(cè)電路設(shè)計(jì)3.1 S08微控制器Freescale半導(dǎo)體公司的8位MC9S08AW微控制器有特性如下：中央處理器單元?高達(dá)40MHZCPU寸鐘頻率和20MHZ內(nèi)部總線頻率,工作電壓為4.5V至5.5V,且溫度范圍為-40 C到85 C。?最多擁有32個(gè)中斷/復(fù)位源。?多達(dá)62KB片上可編程Flash存儲(chǔ)器，具有模塊保護(hù)和安全選項(xiàng)功能。?長(zhǎng)達(dá)2KB的RAM（內(nèi)存）。?安全電路防止未經(jīng)授權(quán)的訪問內(nèi)存和閃存內(nèi)容。省電模式與系統(tǒng)保護(hù)?兩種停止節(jié)電模式和一種等待節(jié)省模式。?允許時(shí)鐘保持啟用特定外設(shè)站模式。?低壓檢測(cè)復(fù)位或中斷。?非法操作碼檢測(cè)復(fù)位。?非法地址檢測(cè)復(fù)位。?閃光塊保護(hù)。時(shí)鐘源的選擇?可連接

10、外部振蕩器（XOSC,晶體或陶瓷諧振器的低頻范圍是 31.25KHZ到39.0625KHZ,其高頻范圍是 1MHz至 16MHz?可選的看門狗復(fù)位，微控制器工作正常重置選項(xiàng)專用1千赫的內(nèi)部時(shí)鐘源和時(shí)鐘總線。輸入/輸出?具有6個(gè)通用I/O端口。?I/O引腳用做輸入端時(shí)，可軟件選擇上拉電阻；用做輸出端時(shí)，可軟件選 擇強(qiáng)/弱驅(qū)動(dòng)能力和壓擺率。POWER1C1hVDD GNDGNDVDDR2GNDSW sps-GND0卜C5 XT AL ITGNDC2GNDR1Vrefh MC9S08,VDDADPTA0PTA1PTA2,VSSADPTA3VREFLPTB0.VDDPTB1PTB2VSSPTB3PTD

11、0,RESETPTD1PTD2 XTALPTE2PTE3PTF4 EXTALPTF5圖3-1 MC9S08微控制器最小系統(tǒng)電路圖3.2角度和角速度檢測(cè)模塊加速度傳感器MMA726C采用信號(hào)調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補(bǔ)償技術(shù)。 該器件帶有低通濾波和Og補(bǔ)償，提供休眠模式，低功耗，性能穩(wěn)定，抗震動(dòng)能 力強(qiáng)9。因而是電池供電的無線數(shù)據(jù)采集的理想之選。SCA610-CA1H1傾斜角度傳感器是 VTI公司采用電容式3D-MEM技術(shù)設(shè)計(jì)、 生產(chǎn)的陀螺式傾斜角度傳感器。此傾斜角度傳感器具有顯著的負(fù)載能力和非常好 的沖擊耐久性，并且在全溫度區(qū)都能表現(xiàn)出它卓越的可靠性，超凡的穩(wěn)定性和高精度10，單電源供電壓+5

12、V,模擬電壓輸出范圍4.75V-5.25V ，測(cè)量量程土 1g（ 90度），八引腳塑料表貼封裝，增強(qiáng)的失效檢測(cè)功能，數(shù)字激活式電氣自 我檢測(cè)功能，校正存儲(chǔ)器的奇偶校驗(yàn)核實(shí)功能，連續(xù)連接失效檢測(cè)功能，傳感組件的頻率響應(yīng)可控，兼容ROHSS準(zhǔn)，支持無鉛焊。機(jī)器人車體的傾斜角度和由 SCA610-CA1H1直接輸出，角速度可由角度信息微分得到，再依據(jù)MMA726的輸出對(duì)角度和角速度進(jìn)行補(bǔ)償矯正，從而得到精確且穩(wěn)定的角速度和角度信息。綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇由 MMA7260口 SCA610-CA1H1組成的角度檢測(cè)傳感器?？梢愿鶕?jù)邏輯輸入引腳g-Select1和g-Select2的輸入電平選擇MMA72

13、6的靈 敏度（見表3-1 ）。依據(jù)MMA726的說明書，圖3-2中阻容濾波電路的選擇電阻R =1K，電容C =0.1呻。高精度單軸傾斜角度傳感器 SCA610-CA1H1接線如圖3-3所示,圖中電阻R K，電容G =0.WF ,電容C0 =47nF。表3-1 MMA7260的控制引腳g-Select與靈敏度選擇g-Select1g-Select2量程靈敏度輸入電平001.5g800mV/g102g600mV/g014g300mV/g116g200mV/gVDDVCCTC4接S08的B 口R1VSSIES1-C1XOUTGNDGND R2-yRES1sleepmode YOUTg-select1

14、GDC2g-select2GNDC3R3RES1ZOUTMMA7260圖3-2 MMA7260典型接線圖V CCT-連接S08GNDCOSC A61 081726354接S08的D 口GND圖 3-3 SCA610-CA1H1G接線圖雙輪直立機(jī)器人所采用的姿態(tài)角度檢測(cè)系統(tǒng)主要由加速度計(jì)MMA726、傾角傳感器SCA610-CA1H1GS08微控制器、濾波電路等部分組成。姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的 硬件平臺(tái)如圖3-4,由微處理器S08對(duì)SCA610-CA1H1和 MMA726的輸出進(jìn)行高 速A/D采樣后,對(duì)傾斜角度和角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和補(bǔ)償,由加速度計(jì)MMA7260 對(duì)傾角傳感器SCA610-CA1H1進(jìn)行

15、補(bǔ)償矯正得到準(zhǔn)確的姿態(tài)角度信號(hào)，再通過微 分得到系統(tǒng)傾倒的角速度，此位置信息再通過PID控制器運(yùn)算,輸出PWM信號(hào),進(jìn)而對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。圖3-4姿態(tài)角度檢測(cè)系統(tǒng)框圖3.3速度傳感器速度傳感器采用固定在直流電機(jī)輸出軸上的光電碼盤，如圖3-5所示。由于光電碼盤輸出數(shù)字脈沖信號(hào)，因此可以直接將這些脈沖信號(hào)連接到微控制器 S08 的計(jì)數(shù)器端口。每個(gè)光電管輸出兩個(gè)脈沖信號(hào)，通過S08的計(jì)數(shù)器檢測(cè)一路脈沖 信號(hào)的頻率得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于其輸出的兩個(gè)脈沖信號(hào)波形相同，只是相位相 差90,如果電機(jī)正轉(zhuǎn)，第二個(gè)脈沖落后 90;如果電機(jī)反轉(zhuǎn)，第二個(gè)脈沖超 前90。；因此還可以判斷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)13。左輪 光碼盤若輪

16、圖3-5光電碼盤測(cè)速電路4驅(qū)動(dòng)電路及電源模塊設(shè)計(jì)4.1微型直流電機(jī)微型直流電機(jī)的效率一般都要高于其他類型的電機(jī)，且在相同的輸出功率的情況下直流電機(jī)體積一般都比較小，合適應(yīng)用在空間位置有限的場(chǎng)合， 微型直流電機(jī)可以根據(jù)負(fù)載大小自動(dòng)調(diào)速，以達(dá)到極大的啟動(dòng)扭矩。交流 電機(jī)就很難實(shí)現(xiàn)這一功能。另外直流電機(jī)比較容易吸收負(fù)載大小的突變， 電機(jī)轉(zhuǎn)速可以自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載大小的波動(dòng)。微型直流電機(jī)易于與計(jì)算機(jī)連接 采用PW技術(shù)控制。無刷直流電機(jī)雖然沒有機(jī)械電刷和換向器的直流電機(jī)，它的輸出力矩正比于電流，速度正比于電壓，反電勢(shì)正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速，因此其控制特性與機(jī)械特性均 與普通直流電機(jī)基本相同 。但是無刷直流電機(jī)的控制系

17、統(tǒng)復(fù)雜，所以雙輪直 立機(jī)器人采用微型直流電機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)。4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用L298N驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的電路如圖4-1，輸出端0UT1、0UT2驅(qū)動(dòng)直流電 機(jī)。IN1、IN2、IN3、IN4引腳從S08微控制器接輸入控制電平，控制電機(jī)的正 反轉(zhuǎn)，使能控制端ENA,ENB用于PWM控制，圖中電容C C3 =100平,電容CC0.VlF。橋式驅(qū)動(dòng)電路L298N采用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速,不僅電路 簡(jiǎn)單而且調(diào)速范圍大。當(dāng)無須調(diào)速時(shí)，可將調(diào)速控制端引腳 ENA, ENB接5V， 使電機(jī)工作在高速狀態(tài)，則電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方式與輸入信號(hào)控制端 IN1、IN2、IN3、 IN4的電平的關(guān)系如表4-1:表4-1電機(jī)旋

18、轉(zhuǎn)方式與輸入信號(hào)端的電平的關(guān)系電機(jī)旋轉(zhuǎn)方式控制端IN1控制端IN1控制端IN3控制端IN4正高低M1停低低正M2停低低圖4-1 L298N驅(qū)動(dòng)微型直流電動(dòng)機(jī)的電路圖4.3電源模塊設(shè)計(jì)智能直立機(jī)器人使用的電源由6節(jié)相同型號(hào)的電池串聯(lián)起來而得到7.2V、2A/h可充電電池組提供，直流電機(jī)使用 7.2V蓄電池直接供電。雖然S08微控制 器系統(tǒng)，姿態(tài)傳感器模塊和光電碼盤均需5V電源供電，但是S08微控制器系統(tǒng)要求供電電源穩(wěn)定、紋波小以及線性度好，所以選用LM2940穩(wěn)壓電路單獨(dú)對(duì)其 進(jìn)行供電，如圖4-2所示，圖中電容CC100lF ,電容C2rC4=0.WF。而 傳感器模塊要求供電電源有較大的電流、較

19、高的轉(zhuǎn)換效率、帶負(fù)載能力強(qiáng)，則選擇LM2596穩(wěn)壓電路進(jìn)行供電，如圖4-3所示。利用LM2940對(duì)S08微控制器系 統(tǒng)供電，采用LM2596對(duì)檢測(cè)模塊供電，可以有效地防止各器件之間產(chǎn)生干擾， 和電流不足的問題，使得系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作。砂廠IC2iNdGOUT5VC4f 7.2VLM2 940 GNDGND圖4-2 LM2940穩(wěn)壓電路C ff乍NFBdON NG OOUTLM2 59 6C inR2LM2 596 -5VR34 CoutLEDGNDGND圖4-3 LM2596穩(wěn)壓電路5軟件設(shè)計(jì)5.1 S08AW60微控制器資源配置S08AW60的通用IO可通過設(shè)置相應(yīng)的寄存器使其具有輸入、輸出

20、、內(nèi)部上拉選擇、斜率控制及驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度控制等功能。選擇IO端口工作方式的控制寄存器有端口數(shù)據(jù)方向寄存器 PTxDD，端口數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)寄存器PTxD，內(nèi)部上拉控制寄 存器PTxPE及驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度選擇寄存器PTxDS等。S08的端口控制字的含意如表5-1：表5-1 S08的lO端口控制字寄存器名寄存器值端口功能PTxDD0輸入端口1輸出端口PTxPE0內(nèi)部上拉關(guān)閉1內(nèi)部上拉使能PTxDS0低驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度1高驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度光電碼盤的輸出脈沖信號(hào)連接到S08微控制器的定時(shí)器PTM2的PTF4,PTF5引腳，定時(shí)器PTM2工作在計(jì)數(shù)模式，定時(shí)器 PTM1工作在定時(shí)模式產(chǎn)生 PWM輸出。選擇端口 A做為輸出通道，PTA0至PT

21、A3引腳與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N 的輸入信號(hào)端IN1到IN4連接控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，其寄存器選擇見表5-2。選擇端口 E的PTE2、PTE3引腳為PWM輸出端與L298N的調(diào)速控制端引腳ENA、 ENB連接，其寄存器選擇見表5-3。表5-2端口 A的寄存器選擇寄存器名PTADD0PTADD1PTADD2PTADD3寄存器值1111寄存器名PTADS0PTADS1PTADS2PTADS3寄存器值1111表5-3端口 E的寄存器選擇寄存器名PTEDD2PTEDD3PTEDS2PTEDS3寄存器值1111選擇端口 D的PTD0、PTD1、PTD2引腳為輸出端分別連接 MMA7260的 sleep-

22、mocb、g-Select1和g-Select2引腳，其寄存器選擇見表 5-4。選擇端口 B為 模擬量的輸入通道，PTB0、PTB1、PTB2引腳分別連接 MMA7260的XOUT、 YOUT和ZOUT引腳；PTB3引腳連接SCA610的VOUT端；端口 B的數(shù)據(jù)寄 存器選擇AD1P，數(shù)據(jù)方向寄存器設(shè)置為 PTBDD0=0，PTBDD1=0，PTBDD2=0， 及 PTBDD3=0。表5-4端口 D的寄存器選擇寄存器名PTDDD0PTDDD1PTDDD2PTDDS0PTDDD1PTDDD2寄存器值1110005.2 PID控制原理在反饋控制系統(tǒng)中PID控制的基本形式如圖4-1，模擬PID控制規(guī)

23、律如下15:u t Kp e t 0e t dt Td dt式中，誤差函數(shù)et =r t - yt，Kp為比例增益，T|為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。被控對(duì)象圖5-1 PID控制的基本形式各環(huán)節(jié)的作用如下17:比例環(huán)節(jié)：迅速反應(yīng)誤差，減小誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例作用太強(qiáng) 會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。積分環(huán)節(jié)：積累誤差，最終消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用太強(qiáng)會(huì)增大系統(tǒng)的超調(diào) 量，使系統(tǒng)過渡過程變長(zhǎng)。微分環(huán)節(jié)：超前控制，克服系統(tǒng)的慣性，加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)，減小超調(diào)量，提高 穩(wěn)定性。微分作用太強(qiáng)會(huì)引起輸出失真。由于計(jì)算機(jī)控制是離散型數(shù)字控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控 量。因此，模擬PID控制算法不能

24、直接使用，需要采用離散化而得到數(shù)字PID控制 算法。數(shù)字PID控制算法主要有位置型和增量型兩種算法。其中增量型控制算法 的特點(diǎn)有：增量?jī)H與最近幾次采樣值有關(guān)，累積誤差小；控制量以增量輸出，誤 動(dòng)作影響小，且不會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象；可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)的無沖擊切換。 所 以，本設(shè)計(jì)采用增量型控制算法，設(shè)采樣周期為 T,則有：每步的控制量：二uk = u k -uk-1kA因?yàn)椋簎k1 二KPek1 Kiei KDek1ek2i=0所以增量型控制量為：u k = KP ek -ekKIe k -1 KDek -2ek-1 ek2 I二 qek cue k -1 q2ek-2式中,5.3程序設(shè)計(jì)雙輪智能直立機(jī)器人平衡控制系統(tǒng)的軟件部分實(shí)現(xiàn)的主要功能有：融合處理傾角傳感器和加速度傳感器反饋的信息，以得到機(jī)器人車體傾倒的角度和角速度 的精確值；依據(jù)車體的位置信息和行進(jìn)方向，采用增量型PID控制算法調(diào)節(jié)PWM 輸出的占空