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RLS磁編碼器增強(qiáng)兩輪自平衡機(jī)器人小車(chē)的穩(wěn)定性控制

2021-12-30 來(lái)源：雷尼紹作者：-

在設(shè)計(jì)兩輪自平衡機(jī)器人小車(chē)時(shí)，精確、快速地測(cè)量角度旋轉(zhuǎn)是一項(xiàng)關(guān)鍵要求。除此之外，零部件的重量和尺寸最小化也同樣重要。東京電機(jī)大學(xué) (Tokyo Denki University, TDU) 工學(xué)部的學(xué)生，利用雷尼紹關(guān)聯(lián)公司RLS的RM08磁旋轉(zhuǎn)編碼器解決了這個(gè)問(wèn)題。

背景

東京電機(jī)大學(xué)是一所致力于科學(xué)和技術(shù)教育的高校，于1907年由兩位年輕的工程師廣田精一和扇本真吉?jiǎng)?chuàng)立，其辦學(xué)宗旨是推動(dòng)工程學(xué)科教育，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展奠定基石。

石川淳先生在TDU的機(jī)器人與機(jī)電一體化學(xué)科任教，并且在機(jī)器人控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)展先驅(qū)研究。石川淳先生向工學(xué)部的學(xué)生們提出一項(xiàng)考驗(yàn)：制作一輛兩輪自平衡機(jī)器人小車(chē)。在這個(gè)項(xiàng)目中，學(xué)生們選擇了雷尼紹關(guān)聯(lián)公司RLS的RM08磁旋轉(zhuǎn)位置反饋編碼器。

挑戰(zhàn)

石川淳先生對(duì)學(xué)生們提出的考驗(yàn)是：如何解決經(jīng)典的控制理論難題 — 倒立擺。比如著名的Segway（賽格威）電動(dòng)平衡車(chē)，它的技術(shù)基礎(chǔ)是將倒立擺的質(zhì)心設(shè)計(jì)在支點(diǎn)上方。

倒立擺與懸掛擺不同，懸掛擺會(huì)在移位后自然恢復(fù)到穩(wěn)定的平衡位置，而倒立擺具有內(nèi)在的不穩(wěn)定性。想象一下，將臺(tái)球桿或掃帚柄直立倒放在手掌上，如果不持續(xù)調(diào)整手的位置，它就會(huì)翻倒。

較短的倒立擺比較長(zhǎng)的倒立擺加速遠(yuǎn)離垂直位置的速度更快，因此需要更頻繁地調(diào)整位置，而且更難控制。比如，在手掌上保持鋼筆直立比保持臺(tái)球桿直立更難。

Segway所采用的一種解決方案是，將支點(diǎn)放在輪式平臺(tái)上。這種車(chē)輛從IMU（慣性測(cè)量單元）獲取慣性輸入。IMU包含兩個(gè)傳感器：加速度計(jì)和陀螺儀。

在這種情況下，垂直軸和水平軸上的加速度計(jì)均用于確定重力引起的角度加速度。通過(guò)不斷監(jiān)測(cè)擺錘的傾斜角和角速度，可使用PD（比例微分）控制系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪向前或向后滾動(dòng)，以此保持平衡。

學(xué)生們決定在他們自己設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中采用一種類(lèi)似的方法，因此他們需要設(shè)計(jì)并集成一個(gè)高效的三件式解決方案，包括傾斜角度傳感、控制邏輯和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。對(duì)于為此控制應(yīng)用設(shè)計(jì)的PCB（印刷電路板），尺寸小且重量輕是集成到車(chē)把內(nèi)的決定性要素。他們對(duì)PCB的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，以確保在最小的封裝尺寸內(nèi)集成所有必需的功能。

解決方案

將PCB控制板安裝在車(chē)把內(nèi)，位于擺錘的頂部，承載所有必需的電子電路，包括固態(tài)陀螺儀、微控制器、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電源管理組件。

輪式平臺(tái)的底部有兩條軸：連接車(chē)輪的水平軸和由緊湊型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的垂直軸。兩條軸的交叉處裝有一個(gè)簡(jiǎn)單的錐齒輪傳動(dòng)裝置，電機(jī)通過(guò)此傳動(dòng)裝置可朝任意方向驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。

系統(tǒng)必須將方向保持在近乎垂直的極小角度范圍內(nèi)，才能進(jìn)行有效控制。如果小車(chē)朝任一方向傾斜超過(guò)30 °，則可能會(huì)失去穩(wěn)定性。為保持平衡，必須以經(jīng)過(guò)精密計(jì)算的加速度和速度連續(xù)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。

為達(dá)到預(yù)期的運(yùn)動(dòng)控制性能，學(xué)生們需要一個(gè)高分辨率位置編碼器來(lái)監(jiān)控和調(diào)節(jié)電機(jī)輸出。而且，這個(gè)編碼器還必須小巧輕便，能夠容納在小車(chē)?yán)w薄的垂直結(jié)構(gòu)中。

經(jīng)過(guò)深思熟慮，他們最終選擇了雷尼紹關(guān)聯(lián)公司RLS的RM08磁旋轉(zhuǎn)編碼器。這款非接觸式、無(wú)摩擦磁旋轉(zhuǎn)編碼器僅重2 g（包括電纜），具有鋁制傳感器外罩，直徑為8 mm，厚度僅為3 mm。

學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)細(xì)窄的尼龍襯圈，作為電機(jī)軸與RM08編碼器的磁勵(lì)體之間的機(jī)械連接，而這個(gè)設(shè)計(jì)只增加了不到0.5 g的重量。RM08編碼器產(chǎn)生12位分辨率輸出（每轉(zhuǎn)4,096步），可用于運(yùn)行速度高達(dá)30,000 rpm的應(yīng)用，精度達(dá)到±0.3 °。