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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 兩輪共軸自平衡機(jī)器人
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 兩輪共軸自平衡機(jī)器人是一種倒立擺閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)兩輪機(jī)器人車體的傾斜角度驅(qū)動(dòng)兩個(gè)共軸輪讓機(jī)器人始終保持直立狀態(tài)。在這個(gè)系統(tǒng)中機(jī)器人的重心遠(yuǎn)高于共軸輪子的軸心。機(jī)器人的傾斜角度由三軸加速度傳感器與單軸角速度傳感器測量，AVR單片機(jī)根據(jù)機(jī)器人的傾斜角度計(jì)算出合適的驅(qū)動(dòng)力，再由編碼減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪子讓共軸雙輪高重心機(jī)器人始終保持平衡狀態(tài)。
- 詳細(xì)介紹：
- 本系統(tǒng)由主控制器模塊、傳感器模塊、通訊模塊、運(yùn)動(dòng)控制器模塊、伺服電機(jī)與輪子等模塊組成。其中主控制器采用AVR單片機(jī)，iMEMS加速度傳感器與角速度傳感器組成的傳感器模塊測量機(jī)器人靜態(tài)或動(dòng)態(tài)時(shí)的傾角，主控制器根據(jù)傳感器測量的傾角參數(shù)計(jì)算出合適的驅(qū)動(dòng)力，在利用伺服電機(jī)的精確驅(qū)動(dòng)共軸輪，讓機(jī)器人停止或行走時(shí)始終保持直立平衡狀態(tài)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 兩輪共軸自平衡機(jī)器人可以很好地解決高重心機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中的平衡穩(wěn)定性問題。比如一般的的機(jī)器人小車上安裝攝像頭時(shí)車體的重心必須足夠低，否則小車運(yùn)動(dòng)時(shí)很容易翻倒。這種小車為了保持重心足夠低，就必須把攝像頭安裝到較低的位置，這樣攝像頭就無法看到高臺面上物體。如果將攝像頭安裝到較高的位置，一般采用較大或較重的車體基座用以保證車體運(yùn)動(dòng)時(shí)不翻倒。如果使用我們制作的兩輪共軸自平衡機(jī)器人就可以很好地解決上述一般視頻監(jiān)控小車高重心容易翻倒的問題，可以實(shí)現(xiàn)車體重心足夠高（攝像頭可以安裝到足夠高的位置）而車體體積重量又足夠低。 本系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵是如何測量運(yùn)動(dòng)中的車體傾角及根據(jù)車體傾角選擇合適的控制力度使車體保持直立平衡。車體運(yùn)動(dòng)時(shí)由于車體慣性與振動(dòng)會嚴(yán)重干擾傳感器的測量值，所以我們使用kalman濾波技術(shù)，對加速度傳感器與角速度傳感器的讀數(shù)進(jìn)行濾波與融合，得到精準(zhǔn)的讀數(shù)，再利用PID算法計(jì)算得到合適的控制力度使車體保持直立平衡。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 利用兩輪共軸自平衡機(jī)器人作為視頻監(jiān)控小車時(shí)，由于兩輪共軸自平衡機(jī)器人可以自動(dòng)保持直立平衡，可以將安裝在兩輪共軸自平衡機(jī)器人上的攝像頭，根據(jù)使用環(huán)境場合安裝到很高的位置。無論攝像頭安裝位置有多高，小車的體積重量保持不變且足夠小。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
作品所處階段
- 已制作完成兩輪共軸自平衡機(jī)器人。兩輪共軸自平衡機(jī)器人車體可以自動(dòng)保持直立平衡狀態(tài)。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
作品可展示的形式
- 兩輪共軸自平衡機(jī)器人靜態(tài)或動(dòng)態(tài)實(shí)物展示。
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
同類課題研究水平概述
- 目前國外同類作品的技術(shù)水平較高，美國Southern Methodist University 的 Department of Geological Sciences 的 DAVID P.ANDERSON 教授所發(fā)明的兩輪自動(dòng)平衡機(jī)器人是目前世界上技術(shù)含量最高的一種機(jī)器人。他采用了ADXL202加速度傳感器和Pittman GM8712 馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了較高的自平衡穩(wěn)定性。 在國內(nèi)臺灣省學(xué)生做的該方案是采用增強(qiáng)型51芯片C8051F005 做主控制芯片，采用加速度傳感器和陀螺儀（角度傳感器）實(shí)現(xiàn)了自平衡。內(nèi)地愛好者采用的平衡方案是水銀開關(guān)。由于只用了水銀開關(guān)，沒有使用陀螺儀，所以導(dǎo)致小車擺動(dòng)厲害，平衡效果很差。還有一些愛好者利用基于DSP數(shù)字電路的驅(qū)動(dòng)單元分別精確控制左右輪電機(jī)，并利用上位機(jī)實(shí)時(shí)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提高了控制精度、可靠度以及集成度，最終得到了很好的控制效果。
