基于嵌入式操作系統(tǒng)的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制模型算法設(shè)計(jì)

概述
機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)式一套高復(fù)雜性、高耦合性、驅(qū)動(dòng)力小于機(jī)體物理自由度的非線性系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在空間中穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制，本設(shè)計(jì)把機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在空間中的運(yùn)動(dòng)形式等效成了旋轉(zhuǎn)倒立擺模型，基于該模型的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)了速度閉環(huán)控制算法和角度閉環(huán)控制算法，通過(guò)雙閉環(huán)控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間中旋轉(zhuǎn)倒立擺的穩(wěn)定控制。
開(kāi)發(fā)環(huán)境
硬件：該設(shè)計(jì)硬件依托于ART-PI開(kāi)發(fā)平臺(tái)，主控芯片采用STM32H750高性能單片機(jī)，同時(shí)采用TB6612芯片作為旋轉(zhuǎn)倒立擺的核心動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，采用霍爾傳感器作為速度采集，采用高精度電位器作為擺臂角度采集傳感器，采用OLED屏幕來(lái)進(jìn)行參數(shù)的顯示，與實(shí)時(shí)調(diào)整。
RT-Thread版本：RT-Thread版本采用4.0.2
開(kāi)發(fā)工具及版本：mdk5.32版本
RT-Thread使用情況概述
本設(shè)計(jì)采用rt-thread4.0.2master版本，用到了該操作系統(tǒng)的全內(nèi)核、FinSH控制臺(tái)交互，SPI驅(qū)動(dòng)、ADC驅(qū)動(dòng)、編碼器驅(qū)動(dòng)、PWM驅(qū)動(dòng)等相關(guān)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，并且編寫(xiě)了雙閉環(huán)PID控制算法。
軟件框架說(shuō)明本設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)基于ART-PI，核心部分已經(jīng)固定，針對(duì)旋轉(zhuǎn)倒立擺機(jī)械部分，其結(jié)構(gòu)如下圖所示：
軟件模塊說(shuō)明
本設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的部分是PID算法的實(shí)現(xiàn)，針對(duì)倒立擺的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，進(jìn)行了優(yōu)化與調(diào)整，PID算法的實(shí)現(xiàn)基于經(jīng)典控制理論中線性控制的理論基礎(chǔ)：
在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)[6]。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(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)難以采用時(shí)，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，
在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(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(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)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)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，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，比例加積分(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。
微分(D)控制
在微分控制中，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)。其原因是由于存在有較大慣性組件(環(huán)節(jié))或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。
這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。本次比賽基本是利用業(yè)余時(shí)間一點(diǎn)一點(diǎn)完成，中間遇到了一些困難，主要問(wèn)題出現(xiàn)在對(duì)芯片的底層配置上，不過(guò)通過(guò)對(duì)比手冊(cè)介紹與仿真，都能初步解決。得益于RT-Thread操作系統(tǒng)完善的內(nèi)核管理，調(diào)試交互，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、使得在設(shè)計(jì)中少走了很多彎路，加快了開(kāi)發(fā)速度，推薦大家都來(lái)嘗試使用該系統(tǒng)，真的很好。