高可靠自平衡移动机器人控制系统设计与实现

摘要

随着两轮自平衡移动机器人应用日益广泛，其控制系统的可靠性逐渐成为研究的热点。针对自平衡移动机器人单一MEMS姿态测量系统可靠性差的问题，本文根据MEMS器件低成本、高集成度的特性，设计了冗余姿态测量系统和高效余度管理策略，保证了控制系统姿态获取的高可靠性。针对复杂地形导致两轮差速控制误差较大影响系统稳定性问题，在对地速度误差可测性分析基础上设计了基于Z轴陀螺仪信息的差速控制误差补偿策略，提升了差速控制精度和自平衡移动机器人航向角稳定性。 首先，本文总结了移动机器人控制高可靠性国内外发展现状和涉及的关键技术，通过建立两轮自平衡移动机器人的动力学模型和控制模型，确立了控制系统框架及软硬件总体结构，为后续控制系统软硬件设计实现提供了理论基础和参考依据。 其次，在分析余度原理与可靠性关系的基础上，设计了主、备份冗余姿态测量系统和高效的惯性传感器故障检测算法与余度管理策略。对姿态测量系统进行元器件选型并对电源模块、微控制器、姿态感知模块进行电路设计实现。在互补滤波姿态解算环节中，设计了一阶IIR滤波器对姿态传感器数据进行预处理，以提升姿态解算数据的信噪比。 然后，对自平衡移动机器人两轮差速控制误差可测性进行分析，设计了基于Z轴陀螺仪信息的差速控制误差补偿策略，利用Z轴输出信号与参考航向角角速度的误差构建PID控制器对两轮对地差速控制误差进行校正；对姿态控制系统的电机驱动模块、速度测量模块和误差补偿模块进行了硬件设计与实现；在Matlab环境下建立自平衡移动机器人运动模型并验证了该补偿策略的有效性。 最后，设计了基于无线通信的系统调试方法。实际测试了冗余姿态测量系统和姿态控制系统的可靠性指标。结果表明，上述方法能有效保证自平衡移动机器人控制系统高可靠性，对自平衡移动机器人高可靠控制系统设计具有一定的参考价值。

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