两轮自平衡机器人，用什么传感器？

只看该作者 · 2010-11-24 11:10

毕业设计想弄个两轮自平衡机器人，思路是：每过一定时间用传感器测试机器人相对垂直方向的倾角，然后通过CPU计算出给电动机的能量调整机器人的平衡，不知该用哪种传感器测直立机器人的瞬间倾角，请大大们出出主意。还有就是该用哪种电机比较合适呢？步进电机虽然好控制，但是他的步进角是固定的，分辨率是否够呢？

1万 · 2010-11-24 17:08

比较通用简单的方案是：

用加速度传感器+角速度传感器测量瞬间倾角，传感器的型号无关系，价格贵的性能好，便宜的杂波大，稳定性差一点。

驱动一般用PWM控制直流电机，调整机器人状态。

步进电机虽然好控制，但是在两轮自平衡机器人中不合适。

只看该作者 · 2010-11-24 11:38

坐等中。

只看该作者 · 2010-11-24 13:43

就没人知道吗？这里不会都是玩奥迪双钻四驱赛车的吧？

1万 · 2010-11-24 17:18

推荐大盆友索伦之眼做的两轮自平衡机器人，加速度传感器用MMA7260，角速度传感器用ENC03。

详见：
[侃单片机] 主题：双轮自平衡小车~
https://bbs.21ic.com/viewthread.php?tid=173418&highlight=

只看该作者 · 2010-11-24 22:24

谢谢！学习中。

只看该作者 · 2010-11-26 18:40

这个角速度传感器怎么和加速度传感器组合起来测出倾角呢？ JJ能指点下吗？我不是自动化专业的一点不懂。
毕业设计，急急急！！:Q

只看该作者 · 2010-11-26 19:35

123jj推荐的

[侃单片机] 主题：双轮自平衡小车~
https://bbs.21ic.com/viewthread.php?tid=173418&highlight=

怎么LZ不看？下面内容摘自索伦之眼之双轮自平衡小车~

只看该作者 · 2010-11-26 19:38

我在这里就说下大概的流程吧。
整个系统分为三大部分。
1.角度采集
2.电机数据运算
3.电机驱动

先说第一部分：角度采集.
这里我采用两种传感器：一种是陀螺仪（ENC03），另一种是加速度计（MMA7260）.其实任何其中一种都可以得出现在的车体倾斜角度值。为什么我们要选择两种呢？原因是这里有一种思想在里面：互补。

先说下陀螺仪：
陀螺仪属于测量旋转运动的传感器，其输出的是角度变化速度。即旋转的越快，输出量越大（不能无限大，传感器上有极限指标）；旋转的越慢，输出量越小（最小为0，即静止时）。
我们可以通过积分运算（累加），得出相对角度数据，这里假设为A。但是我们知道，积分是有严重的累积误差的。我们可以一句话概括：陀螺仪短时间准确，长时间不准确。
再说下加速度计：
加速度计属于测量线性运动的传感器，其输出的是传感器沿某个轴向直线运行时的速度变化量。即速度变化的越快，输出量越大（不能无限大，传感器上有极限指标）；速度变化的越慢，输出量越小（最小为0，即静止时）。这种特性用来做惯导研究很好。但是如何和我们的角度倾斜量相关呢？
我们知道加速度计测量的是加速度量，而地球上的物体都是受万有引力制约的，即我们时刻都受到一个大小为g的竖直向下的加速度的作用。可能很多人都快看不下去了，我就直接贴图说明吧，如下：

我们通过反正弦运算，可以得到加速度计当前与重力方向的夹角数据，这里假设为B。
但是又有新的问题了。加速度计是测量线性运动的，即其对震动非常敏感。电机转动，所产生的震动是不可小视的。所以其会有很大的噪声。而且当加速度计运动时，其输出量是运动加速度与重力加速度的混合数据，这会严重影响角度计算的准确性。其特点用一句话概括：加速度计长时间较准确，短时间误差大。

现在我们重新审视一下，这两个传感器恰恰成互补关系。要得出比较准确的、长时间稳定的角度数据，这两种传感器是缺一不可的。这也就是贯穿我整个数据采集过程的基本思想--互补。
我的具体做法是偏向于使用陀螺仪数据。原因是陀螺仪数据的噪声较小，短时间内误差小。而其长时间的积分误差怎么解决呢？我的方法是使用加速度计角度数据B的平均值来校准陀螺仪的角度数据A.

直接伪代码如下：
A += （B-A）/k;
这里的K是衰减倍数。
其实就这么简单，这就实现了比较准确的角度数据的采集工作。

下面说下滤波问题。我们知道加速度计的噪声很大，我们这里采用卡尔曼的思想来滤波，另一种说法是数据融合。

其实这里就是两种传感器的典型互补了，用其算出来的角度数据相对来说很准了。
设加速度计换算出的角度数据为M，陀螺仪只采数据为s,陀螺仪相对加速度计的因子为k,上次加速度计经过滤波后的角度数据为M_2,卡尔曼增益选择固定值为g.滤波后的角度数据为real_M;
那么滤波伪代码：
Temp=M_2+s*k;
real_M = Temp*g+(m-Temp)*(1-g);
M_2 = real_M ;

其实整个小车中，最关键、也最难的地方就是角度采集问题。准确的角度，只要一个P作用量就能轻松让小车站起来。

只看该作者 · 2010-11-26 19:40

第二部分：电机数据运算.
其实网上关于这部分的资料是最多的。我采用的是经典的PID算法。
理论我不讲了。我只讲讲实现过程。
这里如果先试试车体的稳定性，我们先只使用P作用。
现在以能立住为目标。

P,就是比例。假设当前角度偏差为error,目标角度为aim,比例系数为p,那么
PID计算伪代码为PID_result = (error-aim)*p;//(这里aim=0,即竖直状态)。
可以看出，如果车体倾斜度越大，那么计算出的PID的P值比例性的增大。

举实例说明（具体参数与车体和电机等有关）：
我的电机为[email=200RPM@12V]200RPM@12V[/email]，PWM的调制精度为-255~+255，那么当我的P参数p=30时，小车基本能够立住了（不足点就是总喜欢前后跑动）。

其实就这么简单。

剩下的I和D参数的调制方法，大家可以查阅网上的丰富的资料。I是减小误差的，D是阻碍小车姿态变化的。

第三部分：电机驱动
这部分是最基础的。我才用的是L298驱动芯片。加了光耦隔离（原因是减速电机正反转切换时，产生的反电动势会造成单片机死机）。电机控制器为ATmega8，脉宽调制是使用的其内部自带的硬件PWM。为了简单起见，直接给两个轮子临时加上了码盘，而ATmega8也承担了由码盘数据得出电机转速和行程的数据任务。其与控制器ATmega168之间使用TWI(其实就是I2C)协议通讯。

这就是我目前的整体做法。更多功能请网友们自行加载。
最后希望各位的小车被推倒后还能自己立起来。^_^

只看该作者 · 2010-11-26 19:40

以上内容摘自索伦之眼之
[侃单片机] 主题：双轮自平衡小车~
https://bbs.21ic.com/viewthread.php?tid=173418&highlight=

只看该作者 · 2010-11-26 20:11

有点懂了，非常感谢！要用角速度计测出很多次角速度后才能进行积分得出倾角吧？机器人调整平衡的时间间隔很短，那样传感器的速度能跟上吗？

只看该作者 · 2010-11-26 20:12

有点懂了，非常感谢！要用角速度计测出很多次角速度后才能进行积分得出倾角吧？机器人调整平衡的时间间隔很短，那样传感器的速度能跟上吗？

只看该作者 · 2010-11-26 20:18

理解错误！！！
每次角速度计测出值加上以前角速度计测出值之累加值（即积分），就得出当前倾角值！
以后每测一次角速度计值，和以前的角速度计测出累加值（即积分）再积分，都能得到当前倾角值！

这样，机器人调整平衡的时间间隔很短，传感器的速度照样能跟上。

只看该作者 · 2010-11-26 20:36

原来是这样啊，也不算什么积分了，应该叫积累吧。这样的话不能保证每次测量间隔期间的速度都是匀速的啊。要是角速度变化很大误差不就是非常大了。

只看该作者 · 2010-11-26 20:38

到底有多少人做成功了呢，我怕做失败了毕业设计完不成，还要拖累我们这组人啊。要是很难做我就换个题目了，况且不是电子专业的，不是自动化的。

只看该作者 · 2010-11-26 20:44

呵呵不错！

只看该作者 · 2010-11-26 20:49

哎其实我最喜欢的应该是机电吧，高中毕业以为机电就是搞那些电动机等等的巨型机器，所以就没敢报。现在感觉太幼稚了。

只看该作者 · 2010-11-26 20:53

原来是这样啊，也不算什么积分了，应该叫积累吧。这样的话不能保证每次测量间隔期间的速度都是匀速的啊。要是角速度变化很大误差不就是非常大了。 ...
程序医人发表于 2010-11-26 20:36

还是理解错误！！！

反复积累（累加），数学上就称作积分！

每次测量间隔不相等没关系，因为 角速度计输出变化值 和 角度变化值 成正比，其 积分值就是当前相对角度（位置）值。

只看该作者 · 2010-11-26 21:09

还是理解错误！！！

反复积累（累加），数学上就称作积分！

每次测量间隔不相等没关系，因为角速度计输出变化值和角度变化值成正比，其积分值就是当前相对角度（位置）值。 ...
xuyiyi 发表于 2010-11-26 20:53

假如每次测量角速度间隔为10ms，开始角速度为a,这次测量角速度为b，那么角度变化值为多少呢？ b*1ms 或 [（b+a）/2]*1ms 都是有误差的吧不过感觉后者的误差很小吧。

两轮自平衡机器人，用什么传感器？

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