《智能機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)》 課件 第5章 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)行駛

第5章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)行駛智慧物流系統(tǒng)：從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容CONTENTS3電機(jī)驅(qū)動(dòng)2電機(jī)原理4PID控制算法1物流機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式3

章節(jié)目標(biāo)掌握物流機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)方式；了解直流有刷電機(jī)的構(gòu)成與基本控制原理；學(xué)習(xí)并掌握直流有刷電機(jī)的控制算法。41物流機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式移動(dòng)機(jī)器人的分類①移動(dòng)機(jī)器人按照移動(dòng)方式可分為輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人、腿式機(jī)器人等；②移動(dòng)機(jī)器人按照移動(dòng)特性又可分為非全方位移動(dòng)機(jī)器人和全方位移動(dòng)機(jī)器人兩類。物體在平面上的移動(dòng)可產(chǎn)生前后、左右和自轉(zhuǎn)3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。若所具有的自由度少于3個(gè),則為非全方位移動(dòng)機(jī)器人；若具有3個(gè)自由度，則稱為全方位移動(dòng)機(jī)器人。物流機(jī)器人屬于輪式移動(dòng)機(jī)器人，它的結(jié)構(gòu)主要有三輪結(jié)構(gòu)、四輪結(jié)構(gòu)、全方位移動(dòng)結(jié)構(gòu)。51物流機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式輪式結(jié)構(gòu)三輪結(jié)構(gòu)：包括后輪驅(qū)動(dòng)、前輪轉(zhuǎn)向、前輪轉(zhuǎn)向兼前輪驅(qū)動(dòng)及兩輪差速驅(qū)動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的自由運(yùn)動(dòng)；四輪結(jié)構(gòu)：主要是四輪驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向，全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括麥克納姆輪及舵輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向。本書中的物流機(jī)器人采用的是兩動(dòng)力輪和兩萬(wàn)向輪的四輪結(jié)構(gòu)。6物流機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)物流場(chǎng)地的導(dǎo)引線均為直線，因此物流機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式比較單一，運(yùn)動(dòng)方式只有前進(jìn)、后退、原地轉(zhuǎn)向90度或180度。物流機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了雙輪差速驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，兩個(gè)動(dòng)力輪在機(jī)器人底盤的中間位置，前后設(shè)計(jì)可輔助萬(wàn)向輪進(jìn)行平衡。雙輪差速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，差速的動(dòng)力輪直接與減速電機(jī)相連，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制起來(lái)十分得方便。1物流機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式71物流機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式物流機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制一、行走控制物流機(jī)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(gè)輪子同時(shí)向同一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)即可。81物流機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式物流機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制二、轉(zhuǎn)向控制物流機(jī)器人中用到的轉(zhuǎn)向控制只要求原地轉(zhuǎn)向，因此控制兩個(gè)輪子同時(shí)向不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)即可。92電機(jī)原理直流有刷電機(jī)物流機(jī)器人使用了有刷直流減速電機(jī)作為行走的動(dòng)力電機(jī)，電機(jī)型號(hào)為JGA12-N20，該型電機(jī)由減速箱、電機(jī)和編碼器三部分組成。JGA12-N20型直流有刷減速電機(jī)102電機(jī)原理直流有刷電機(jī)①由直流電驅(qū)動(dòng)的電機(jī)即為直流電機(jī)。②

有刷電機(jī)源自于電機(jī)的組成原理。直流減速電機(jī)由以下幾項(xiàng)構(gòu)成：定子、轉(zhuǎn)子和機(jī)座。定子是電機(jī)磁場(chǎng)靜止的部分，在所使用到的電機(jī)中即為和外殼固定在一起的兩塊磁體部分。轉(zhuǎn)子即電機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分，在所使用的電機(jī)中即為繞有線圈的鐵芯。機(jī)座部分是用來(lái)固定供電的電刷。112電機(jī)原理直流有刷電機(jī)有刷電機(jī)采用機(jī)械換向，磁極不動(dòng)，線圈旋轉(zhuǎn)。電機(jī)工作時(shí)，線圈和換向器旋轉(zhuǎn)，磁鋼和碳刷不轉(zhuǎn)，線圈電流方向的交替變化是隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的換向器和電刷來(lái)完成的。有刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理122電機(jī)原理直流有刷電機(jī)①有刷直流電機(jī)有著眾多的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜，只需施加直流電壓即可使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)壓調(diào)速方便，反轉(zhuǎn)電壓極性會(huì)即刻反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方向，低速時(shí)可輸出高扭矩。②有刷直流電機(jī)也有顯著的缺點(diǎn)，由于電刷的磨損，使用壽命較短，并且電刷和換向器在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧，導(dǎo)致大量的電氣噪聲進(jìn)入控制系統(tǒng)，這對(duì)于在同一系統(tǒng)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(gè)部件之間存在摩擦，摩擦產(chǎn)生的熱量限制了電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度不能過(guò)快。133電機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的調(diào)速方式①改變電機(jī)兩端的電壓②改變磁通量③串入調(diào)節(jié)電阻由于經(jīng)濟(jì)性和適用性的原因，變電壓調(diào)速是最常用的方法。在電機(jī)的控制中，不僅需要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還需要控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，這個(gè)時(shí)候就需要用到脈寬調(diào)制（PWM）和H橋兩種技術(shù)的搭配。14H橋的接法把電機(jī)接到1,2,3,4四個(gè)開關(guān)的中間位置，這個(gè)時(shí)候4個(gè)開關(guān)和電機(jī)剛好組成1個(gè)H字母的樣子，因此叫做H橋。3電機(jī)驅(qū)動(dòng)15電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)3電機(jī)驅(qū)動(dòng)當(dāng)把開關(guān)1和4閉合，保持開關(guān)2和3斷開的時(shí)候，電機(jī)就接入了回路中，電流流過(guò)電機(jī)開始向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這種電流流向被定義為正向轉(zhuǎn)動(dòng)。16電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)3電機(jī)驅(qū)動(dòng)當(dāng)把開關(guān)2和3閉合，保持開關(guān)1和4斷開的時(shí)候，電機(jī)接入了反向回路中，電流流過(guò)電機(jī)開始向另一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這種電流流向被定義為反向轉(zhuǎn)動(dòng)。17H橋的接法需要注意的是同一側(cè)的兩個(gè)開關(guān)不能同時(shí)閉合，如果同時(shí)閉合會(huì)造成短路，直接燒壞電源。僅僅利用開關(guān)的閉合只能控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)與停止，無(wú)法控制速度。3電機(jī)驅(qū)動(dòng)18實(shí)際使用的H橋電路電機(jī)是感性元件，由于線圈內(nèi)的電流不會(huì)隨著外部電壓的消失而瞬間消失，因此可以通過(guò)控制開關(guān)閉合和斷開的頻率及控制導(dǎo)通的時(shí)間，達(dá)到等效控制電壓的目的。由于需要的頻率很高，在KHz級(jí)別，因此開關(guān)就不適用了，這時(shí)候把開關(guān)換成MOS管，可支持較高的開關(guān)頻率，這樣就形成了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的基本H橋電路。3電機(jī)驅(qū)動(dòng)19實(shí)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(xiàn)形式為不同占空比的方波。占空比即為單個(gè)高電平時(shí)間占周期的比例，占空比越大電機(jī)兩端的有效電壓就越接近電源電壓，因此理論上可以實(shí)現(xiàn)0V到電源電壓之間的無(wú)極變化。這種技術(shù)就是脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM，PulseWidthModulation）。3電機(jī)驅(qū)動(dòng)203電機(jī)驅(qū)動(dòng)PWM就是通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，等效出所需要的波形（包含形狀以及幅值），對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼，也就是說(shuō)通過(guò)調(diào)節(jié)占空比的變化來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)、能量等變化，占空比就是在一個(gè)周期內(nèi)，信號(hào)處于高電平的時(shí)間占據(jù)整個(gè)信號(hào)周期的百分比，例如方波的占空比就是50%。方波的波形通過(guò)PWM技術(shù)和H橋技術(shù)就可以完成了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的同時(shí)控制，即構(gòu)成了電機(jī)驅(qū)動(dòng)。214PID控制算法PID控制物流機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的控制中采用了閉環(huán)控制的方式，簡(jiǎn)單常用的閉環(huán)電機(jī)控制方式即為PID

控制。調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，因此成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)使用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合使用PID控制技術(shù)，實(shí)際應(yīng)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(jiǎn)單的控制方式，其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)，系統(tǒng)的輸出存在穩(wěn)態(tài)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(hào)的積分（可看作誤差的累加）成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)的輸出取決于輸入誤差信號(hào)的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)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(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)，其原因是存在較大慣性組件（環(huán)節(jié)）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