一种基于飞轮的倒立摆平衡控制系统 技术领域 本发明属于智能机器人范畴， 尤其是一种能够自主进行运动平衡控制的静态不平 衡机器人。
背景技术 倒立摆系统的控制是控制理论应用的一个典型范例。 其机构简单、 成本较低， 便于 用模拟或数字的方法进行控制。虽然其结构形式多种多样， 但无论何种结构， 就其本身而 言， 都是一个非最小相位、 多变量、 绝对不稳定的非线性系统。由于倒立摆系统的绝对不稳 定， 必须采取有效的措施控制它。其控制方法在军工、 航天、 机器人领域和一般工业过程中 都有着广泛的用途， 如机器人行走过程中的平衡控制、 火箭发射中的垂直度控制和卫星飞 行中的姿态控制等涉及到的倒置问题。 同时， 由于摩擦力的存在， 该系统具有一定的不确定 性。 对于这样一个复杂系统的研究， 从理论上将涉及系统控制中的许多关键问题 ： 如非线性 问题、 鲁棒性问题、 镇定问题、 随动问题及跟踪问题等可以以它为例进行研究。
随着倒立摆系统的控制研究的不断深入， 倒立摆系统的种类也由简单的单级倒立 摆发展为多种形式的倒立摆。常见的倒立摆系统一般由小车和摆杆两部分构成 ( 另有旋转 式倒立摆等形式， 但较少 )， 其中摆杆可能是一级、 两级甚至多级， 其长度也可能是变化的。 控制的目标基本上都是通过给小车施加一个水平方向的力， 使小车在期望的位置上稳定， 而摆杆也达到竖直向上的动态平衡状态。
相比于一般的倒立摆系统， 基于飞轮的倒立摆平衡控制系统具有以下显著特点 ： 1) 平衡原理不同 ： 一般的倒立摆都是通过控制小车的速度来达到竖直摆杆的平衡， 而基于 飞轮的倒立摆系统的底部却是固定的， 它是通过顶部飞轮的旋转产生必要的扭矩来控制摆 杆的平衡 ； 2) 控制难度不同 ： 对于一般的倒立摆系统， 四级倒立摆的控制目前也已经不是 问题了， 而对于基于飞轮的倒立摆系统而言， 二级倒立摆的控制至今还没有人去研究。 3) 应 用层次不同 ： 一般的倒立摆系统主要用来研究系统的稳定性、 鲁棒性、 镇定问题等等。随着 科技的发展， 人们生活水平的提高， 人们越来越追求自己生活的质量和舒适程度， 于是， 一 些智能机器人应用而生， 由于他们的体积小、 重量轻、 功能多， 逐渐被现代人追捧， 其中， 极 具有代表性的是独轮机器人， 它只有一个轮子， 占有更小的空间， 能够以一种特有的动态平 衡的方式实现相应的任务， 如在极窄的路径上骑行， 骑过很窄的平衡木、 原地转身， 甚至可 以完成走钢丝的高难度动作。对于它上身的控制， 目前许多研究者都是基于飞轮旋转的平 衡控制， 但是目前在国内还没有一个能够独立行走的独轮车。
现在的倒立摆多为简单的杆式倒立摆， 为了增强其控制难度， 只是摆杆的简单叠 加， 现实意义不是很大。 它的电气控制系统一般在摆杆的下端， 小车的快速滑动是通过电机 带动的皮带来传动， 从而使轻质摆杆起摆， 最终使竖直摆杆稳定在垂直向上的位置。 由于此 装置一般体积大、 质量重， 从而造价也比较高。
国外也有许多研究者致力于基于飞轮的倒立摆平衡控制系统的研究， 具有代表性 的是 Model IP/NC Inverted Pendulum， 此系统采用的是 110 或 220 伏的交流供电方式 ； 传
感器使用的是红外传感器， 它是一种模拟传感器， 测量精度不高， 影响系统的控制 ； 它的保 护支架是固定的， 不能调节摆杆与竖直方向的最大偏角， 缺少一定的灵活性 ； 其电气系统并 没有放在底座上， 底座上也没有可以移动的脚轮， 可移动性较差。
针对上述问题， 本发明设计了一种基于飞轮的倒立摆平衡控制系统。倒立摆系统 利用模块化的平衡组件中的直流伺服电机控制飞轮沿着竖直方向旋转调节， 实现左右方向 的平衡。 检测方面， 为了实现倒立摆对摆杆姿态的实时检测， 本发明采用了基于微机械电子 技术的惯性导航系统和单轴的倾角仪获得摆杆系统在二维环境中的精确姿态。 为了使倒立 摆具有移动的方便性， 在本发明中倒立摆系统的底盘下安装了四个脚轮， 当需要移动倒立 摆系统时， 可以很方便、 省力的由一个位置移动到另一个位置。 发明内容
本发明的目的在于提出一种基于飞轮的倒立摆平衡控制系统， 从而在一定程度上 解决独轮机器人的侧向平衡控制问题。
本发明的具体方案为 ： 一种基于飞轮的倒立摆平衡控制系统， 包括摆杆和底座， 其 特征在于在摆杆的顶端固定一个包含有减速器的直流无刷伺服电机， 在电机旋转轴的前端 装有一个可随之一起旋转的飞轮， 电机的另一端与增量式编码器连接 ； 摆杆的两侧安装有 倾角传感器和倾角速度传感器 ； 摆杆的底部通过摆杆旋转轴与底座上的摆杆支撑座连接 ； 底座上布置有电源、 伺服驱动器、 电源转接板、 运动控制器， 其中倾角传感器、 倾角速度传感 器和增量式编码器的输出端分别于运动控制器连接， 运动控制器的输出端与伺服驱动器连 接， 伺服驱动器的输出端与增量式编码器连接， 倾角速度传感器、 伺服驱动器、 电机分别由 电源直接供电， 倾角速度传感器和运动控制器由电源转接板将电源的电压转换后供电。 为了防止摆杆由于控制失败发生倾倒， 碰坏底座上的其他器件， 可以在摆杆的两 侧对称安装有两个侧支架， 或者在底座的两侧放置竖直保护架。
其中的飞轮可以被设计成重量主要集中于圆周的形状， 以提高其转动惯量。
作为对本发明的进一步改进， 可以在底座四角的下部分别安装有具有各自的刹车 系统的脚轮， 这样整个系统可以比较方便、 省力的移动位置， 也可以在需要的时候固定在某 个位置。
作为对本发明的进一步改进， 还可以在飞轮中心套管的外部安装一个轴承， 以为 了减小飞轮重力对电机轴的压力。
本发明具有以下优点 ：
第一， 本发明的所有组件均采用模块化的设计思想， 每个组件都可以拆卸更换， 如 平衡组件中控制用的惯性飞轮， 当一种惯性飞轮不满足控制要求或者需要更换其它飞轮进 行相关实验时， 可将其拆卸， 然后安装上需要的飞轮， 在这个过程中不需要将平衡组件中的 其它器件拆下。这为系统的维护和升级提供了极大的方便。
第二， 本发明的可调式摆杆侧支架不仅可以根据倒立摆调试的需要改变摆杆侧支 架的支撑高度， 而且作为摆杆组件的保护装置， 避免倒立摆在调试过程中的意外倾倒， 还可 以作为摆杆的配重， 使得系统的重心尽量向下移动， 有利于减少系统控制的难度。
第三， 本发明的底座上放有系统控制需要的所有电子元器件， 且底座下部还有便 于移动的脚轮， 脚轮上有防止滑动的刹车系统， 这样的设计， 极大的增加了系统的可移动
性， 同时也是模块化思想的一种体现。
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。 附图说明 图 1 基于飞轮的倒立摆平衡控制系统机械结构等角轴侧图 ；
图 2 基于飞轮的倒立摆平衡控制系统机械结构前视图 ；
图 3 基于飞轮的倒立摆平衡控制系统飞轮部分局部视图 ；
图 4 基于飞轮的倒立摆平衡控制系统机械结构侧视图 ；
图 5 基于飞轮的倒立摆平衡控制系统机械结构上视图 1 ；
图 6 基于飞轮的倒立摆平衡控制系统机械结构后视图 ；
图 7 基于飞轮的倒立摆平衡控制系统机械结构上视图 2 ；
图 8 基于飞轮的倒立摆平衡控制系统电气系统接线图 ；
图中 ： 1- 飞轮， 2- 轴承， 3- 电机支架， 4- 电机， 5- 摆杆， 6- 摆杆侧支架， 7- 脚轮， 8- 底座， 9- 摆杆旋转轴， 10- 摆杆支撑座， 11- 轴承端盖， 12- 电机套管， 13- 增量式编码器， 14- 倾角速度传感器， 15- 倾角传感器， 16- 伺服驱动器 ； 17- 运动控制器， 18- 电源转接板， 19- 电源， 20- 竖直保护架， 21- 底座小孔， 22- 小孔矩阵。
具体实施方式
实施例一
1 机械结构
本实施例总重量 7kg， 高度 700mm， 长度 400mm， 宽度 320mm， 角轮 (7) 直径 38mm。倒 立摆系统的机械结构和电器元件布局如下 ( 图 1) ：
如图 2， 3， 4 所示， 整个倒立摆为铝合金框架， 主要包括飞轮 1、 电机套管 12、 摆杆 5、 摆杆侧支架 6、 底座 8， 脚轮 7。飞轮 1 和电机套管 12 之间采用轴承 2 连接。电机套管 12 与 摆杆 5 之间采用电机支架 3 相连接。倒立摆系统的飞轮 1 为中空的十字支撑架且外围为较 厚的铝合金板， 使得其质量大部分集中于飞轮的边缘， 增加飞轮的转动惯量， 为了减少飞轮 旋转起来的摩擦力， 本设计把中空的十字支撑架磨成一定程度的圆角， 在十字支撑架的中 心突出一个空芯的套管， 把电机轴插入套管， 为了减小飞轮重力对电机轴的压力， 在电机套 管 12 的末端、 飞轮中心套管的外部安装了一个轴承， 且电机套管 12 的末端还安装了一个轴 承端盖 11， 用以保护和固定轴承。 通过飞轮中心套管上的两个加紧螺丝加紧电机的旋转轴， 使飞轮在高速旋转过程中不至于被抛出去。 摆杆 5 的两侧设置有防倒保护的摆杆侧支架 6， 当倒立摆由于某种原因没有控制好时， 摆杆 5 就会倒下去， 如果没有摆杆侧支架 6 来支撑的 话， 倒立摆上的一些器件就可能由于碰撞而摔坏， 同时， 为了使用上的方便与灵活， 在摆杆 5 下半部分的前后两侧各设计有 10×2 的小孔矩阵 22( 安装方式可达 9 ！种 )， 用以固定摆杆 侧支架 6， 且摆杆侧支架 6 设计成一端有一小孔， 小孔的下面有一段中空的摆杆侧支架 6， 当 摆杆侧支架 6 的小孔固定在右列时， 中空的摆杆侧支架 6 最多有 9 种与小孔矩阵 22 左列固 定的方式。因此， 摆杆侧支架 6 可以变换多种位置安装。摆杆 5 和底座 8 是通过一根摆杆 旋转轴 9 和摆杆支撑座 10 连接， 且旋转轴的两侧安装有两个同种型号的轴承。底座 10 上 利用亚克力板固定运动控制器 17、 驱动器 16 和电源转接板 18， 底座上的电源 19 为可插拔的块状电池， 在实际使用过程中相当方便， 当底座上的电池没电时， 只要按一下电池块下部 的开关， 电池就可以顺利取下来， 不用拧取任何一个螺丝， 更换新电池时， 顺着插槽， 只需轻 轻一推就可以了。 在倒立摆系统底座的下部四个拐角处各装有一个脚轮 7， 是整个系统的移 动装置， 当移动到一个固定的位置时， 可以利用角轮上固有的刹车装置来固定倒立摆系统 的位置， 以免在实验过程中影响系统的控制。
2. 电气系统选型
运动控制器 17 选用飓风数字系统 ( 北京 ) 有限公司 MTK2812 系统板。该系统的 处理器采用 TI 公司 TMS320F2812 DSP， 系统为 5V 直流供电。
MTK2812 的仿真器选用飓风数字系统 ( 北京 ) 有限公司的 XDS510USB， USB2.0 接 口。伺服驱动器 16 选用 Copley Motion 公司的 ACJ-55-18。倾角传感器 15 选用 Crossbow 公司的 CXTA-01 双轴倾角仪。倾角速度传感器 14 选用的是微机械陀螺仪 CRS03-02( 由于 在安装位置处预留了其它的安装方式， 故也可以使用 ADIS16355 陀螺仪 )。
机器人的驱动电机 4 选用 Maxon 公司的直流无刷电机套件 RE35， 24V 供电， 90W 功 率， 3.7 ∶ 1 的行星齿轮减速器 GP32C， 电机配有增量式光电编码器， 精度为 500 线。
锂电池选用 LBS-100C 标准锂电池 19， 标称电压 ： 29.6V， 工作范围 ： 33.6V-24V， 标 称容量 ： 150Wh， 保护电路 ： 内置过充、 过放、 过流及短路保护， 集成电量监控。 电源转接板 ： 华北工控 PW-4512 电源模块 18， 给控制器及其他电子器件供电， 输入 电压 ： 16-40V DC， 输出电压 ： ATX ： +3.3V@5A， +5V/+5VSB@5A， +12V@5A， -12V@0.8A。
3. 电气系统连接
如图 8 所示， 电气系统各部分的连接方法如下 ：
MTK2812 由电源转接板 18 的 +5V 输出供电， 它的 J7 接口的 38 脚， 即 A/D 转换输入 通道， J5 的 22 脚， 即 SPI 引脚， 分别与倾角仪 CXTA01 和陀螺仪 CRS03-02 的 SPI 信号输出 端连接 ； 陀螺仪 14 由 MTK2812 的 J5 接口提供 +5V 输出供电 ； 倾角仪 15 则由电源转接板 18 的 24V 输出供电。
MTK2812 与 ACJ-55-18 间的连接包括控制信号线和编码器反馈信号线。控制信号 包括电机使能信号、 电机转动方向信号和 PWM 转速控制量信号。其中， MTK2812 的 J7 接口 的 22 脚与控制电机的 ACJ-55-18 的 J5 接口的 3 脚连接， 作为 ACJ-55-18 的使能信号线 ； MTK2812 的 J7 接口的 20 脚与控制电机的 ACJ-55-18 的 J5 接口的 6 脚连接， 作为电机 4 转 动方向选择信号线 ； MTK2812 的 J7 接口 19 脚为 PWM 输出， 与控制电机 4 的 ACJ-55-18 的 J5 接口的 20 脚连接， 作为转速控制量信号线。电机编码器的反馈信号经 ACJ-55-18 缓存后连 接至 MTK2812， 具体接线为 ACJ-55-18 的 J5 接口的 10、 11 脚， 分别接 MTK2812 的 J6 接口的 13、 14 脚。
ACJ-55-18 的 J3 接口的 3、 4 脚为电源输入端， 分别接电源输出的 GND 和 +24V ； J2 接口的 3、 4 脚为控制电压的输出端， 分别与电机的 +/- 输入端连接， 其中 3 脚与电机 + 输入 端之间串接一个电机开关 ； J4 接口的 4、 6 分别为 +5V 和 GND， 分别与编码器排线的 2、 3 线连 接， J4 接口的 1、 8、 2、 9、 3、 10 脚为编码器 A 通道、 B 通道和零位信号的共模输入端， 分别接编 码器排线的 5、 6、 7、 8、 9、 10 线。
锂电池 19 经一个双刀双掷的船型开关与电源转接板 18 连接。电源转接板 18 的 +/- 输入端连接锂电池 19 的 +/- 端， 提供 ±12V， ±5V， ±3.3V 直流输出， 分别连接各对应
设备的供电端。
4. 电气系统的工作原理
本实施例倒立摆系统的主要功能是通过飞轮的快速旋转产生一定的扭矩， 利用飞 轮产生的扭矩抵消摆杆系统 ( 包括电机 ) 和飞轮的重力矩及摩擦力矩， 使得摆杆最终稳定 在竖直向上的位置。 由此， 倒立摆电气系统的工作原理如图 8 所示 ： 倒立摆系统的运动控制 器 17 由模数转换模块得到倾角仪 15、 陀螺仪 14 的检测信号， 经过伺服驱动器 16 读取编码 器的反馈信号， 然后， 综合接收到的检测信号和反馈信号， 按预定的运动平衡控制算法计算 出电机的转矩控制量， 发送对应的 PWM 信号给伺服驱动器 16 执行 ； 伺服驱动器 16 控制电机 4 运动， 电机带动飞轮 1 旋转使倒立摆摆杆最终稳定在竖直向上的位置。
实施例二
倒立摆系统的飞轮 1 为中空的十字支撑架且外围有较厚的铝合金板， 使得其质量 大部分集中于飞轮的边缘， 增加飞轮的转动惯量， 为了减少飞轮旋转起来的摩擦力， 可以把 中空的十字支撑架磨成一定程度的圆角， 减少阻力， 在十字支撑架的中心突出一个带有螺 纹的轴， 通过把此轴旋转到电机的旋转轴里 ( 电机轴内预先留有轴孔 )， 而不是一般的垂直 加压， 为了保护电机轴， 在电机轴的外面、 电机套管 12 的末端安装有一个轴承， 且电机套管 12 的末端部有电机端盖 11 加以保护和固定轴承， 避免由于飞轮的重量而把电机轴压弯， 这 样， 在电机地高速旋转过程中， 飞轮就不至于被抛射出去。 实施例三
本发明在底座 8 上位于摆杆 5 两侧表面分别预留了十排小孔 21， 每排两个， 如图 7 所示。 当把侧支架拆除时， 在摆杆 5 两侧分别放置可调距离的竖直保护架 20， 可以防止摆杆 由于某种原因没有控制好时， 倒立摆上的一些器件可能由于碰撞而摔坏， 另外， 通过调节竖 直保护架与摆杆到距离， 还可用来调节摆杆的最大偏角。
实施例四
由于本发明的系统为模块化设计， 在调试过程中， 如果发现 CRS03-02 的传感器的 精度不够高， 可以把摆杆组件中的 CRS03-02 换下， 直接换上 ADIS16355 即可， 因为在摆杆上 已经预留了安装 ADIDS16355 的位置， 且它们的接口在 MTK2812 板上都可以使用。
实施例五
在倒立摆系统底座的下部四个拐角处各装有一个脚轮 7， 是整个系统的移动装置， 当移动到一个固定的位置时， 可以利用脚轮 7 上固有的刹车装置来固定倒立摆系统的位 置， 以免在实验过程中影响系统的控制。 如果在实际调试过程中， 发现倒立摆不是很容易控 制的话， 也可以取掉四个脚轮 7， 降低倒立摆的高度， 从而降低系统的重心。