【RT-Thread作品秀】基于嵌入式操作系統(tǒng)的機器人欠驅(qū)動控制模型算法設(shè)計與實現(xiàn)

作者：yijuanzhi

概述

機器人運動系統(tǒng)式一套高復(fù)雜性、高耦合性、驅(qū)動力小于機體物理自由度的非線性系統(tǒng)，為了實現(xiàn)機器人在空間中穩(wěn)定的運動姿態(tài)控制，本設(shè)計把機器人運動系統(tǒng)在空間中的運動形式等效成了旋轉(zhuǎn)倒立擺模型，基于該模型的運動特點，分別設(shè)計了速度閉環(huán)控制算法和角度閉環(huán)控制算法，通過雙閉環(huán)控制算法來實現(xiàn)對空間中旋轉(zhuǎn)倒立擺的穩(wěn)定控制。

開發(fā)環(huán)境

硬件：該設(shè)計硬件依托于ART-PI開發(fā)平臺，主控芯片采用STM32H750高性能單片機，同時采用TB6612芯片作為旋轉(zhuǎn)倒立擺的核心動力驅(qū)動，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屏幕來進行參數(shù)的顯示，與實時調(diào)整。

RT-Thread版本：RT-Thread版本采用4.0.2

開發(fā)工具及版本：mdk5.32版本

RT-Thread使用情況概述

本設(shè)計采用rt-thread 4.0.2 master版本，用到了該操作系統(tǒng)的全內(nèi)核、FinSH控制臺交互，SPI驅(qū)動、ADC驅(qū)動、編碼器驅(qū)動、PWM驅(qū)動等相關(guān)系統(tǒng)驅(qū)動，并且編寫了雙閉環(huán)PID控制算法。

硬件框架

軟件框架說明

本設(shè)計硬件平臺基于ART-PI，核心部分已經(jīng)固定，針對旋轉(zhuǎn)倒立擺機械部分，其結(jié)構(gòu)如下圖所示：

軟件模塊說明

本設(shè)計最關(guān)鍵的部分是PID算法的實現(xiàn)，針對倒立擺的運動特點，進行了優(yōu)化與調(diào)整，PID算法的實現(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，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)^[6]。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、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。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的 其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，

在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例加積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(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的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(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，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，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，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。

演示效果

示意鏈接：

代碼地址在附件。

比賽感悟

本次比賽基本是利用業(yè)余時間一點一點完成，中間遇到了一些困難，主要問題出現(xiàn)在對芯片的底層配置上，不過通過對比手冊介紹與仿真，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)動設(shè)計、使得在設(shè)計中少走了很多彎路，加快了開發(fā)速度，推薦大家都來嘗試使用該系統(tǒng)，真的很好。