小型自平衡机器人姿态模拟器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种小型自平衡机器人姿态模拟器，属于机器人姿态运动仿真、惯导设备检测领域；小型自平衡机器人姿态模拟器可以模拟自平衡机器人的俯仰角、航向角的变化；同时水平移动滑台和两轴转台运动的叠加亦可以模拟两轮自平衡机器人在水平面上复杂的运动姿态，包括自旋、匀速转向、机器人走“8”字；采用非线性PD双回路控制器使姿态模拟器系统稳定性增强，同时提高了控制精度；L型外框的使用，减少了系统的重力不平衡力矩、提高系统精度。
【专利说明】小型自平衡机器人姿态模拟器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种小型自平衡机器人姿态模拟器，属于机器人姿态运动模拟仿真、惯导设备检测领域。
【背景技术】
[0002]自平衡机器人是一种质心高于支点，在重力作用下机身姿态本征不稳定的移动机器人，在运动中需要自身控制姿态维持平衡。提高自平衡机器人的运动姿态控制性能，首要提供的是姿态模拟平台，模拟自平衡机器人的运功姿态，验证姿态检测算法和传感器的性能。
[0003]姿态模拟器主要用于惯导设备测试和半实物仿真测试，应用于半实物仿真测试的姿态模拟器被称作仿真转台。转台是仿真技术的关键设备，由早期的单轴转台到目前的三轴转台，已经可以真实地模拟导弹或飞行器的动力学特性，在实验室条件下复现其在空中的各种飞行姿态，对导弹或飞行器的传感器件、制导系统和控制系统及各执行机构的性能加以测试，为成功的实际飞行提供充分的技术指标和实验数据。因此为了能够在自平衡机器人领域，实现通过实验仿真机器人的各种复杂的运动姿态，验证姿态控制算法和机身上的姿态传感器性能的目的，本发明提出了一种小型自平衡姿态模拟器。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种小型自平衡机器人姿态模拟器，该模拟器不但可以仿真小型自平衡机器人的俯仰角、航向角的变化，还可以通过导轨滑台水平移动和两轴转台部分两轴系运动的叠加仿真两轮自平衡机器人在水平面上复杂的运动姿态，包括自旋、匀速转向、机器人走“8”字等，并可作为类似相关运动仿真的试验平台。
[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种小型自平衡机器人姿态模拟器，该模拟器包括一个水平移动平台和一个两轴转台；其中，两轴转台部分，上轴系模拟自平衡机器人的俯仰姿态，下轴系模拟自平衡机器人的航向角，安装于水平移动平台的导轨滑台上；水平移动平台驱动导轨滑台，实现两轴转台进行水平位移，模拟机器人在空间的水平移动；通过步进电机细分驱动器提高步进电机的步距精度，上轴系采用由步进电机直接驱动支撑架，并由光电编码器组成闭环系统，避免产生失步，提高俯仰姿态的仿真精度；中层电机采用力矩较大的减速步进电机驱动L型框架，不加传动装置，减少定位误差，提高航向角的仿真精度；下层电机由步进电机驱动丝杆，丝杆将回转运动转化为导轨滑台的直线运动，并由光电编码器组成闭环系统，提高位移精度。
[0006]与现有技术先比，本发明具有如下有益效果。
[0007]小型自平衡机器人姿态模拟器可以模拟小型自平衡机器人的俯仰角、航向角的变化；同时水平移动滑台和两轴转台运动的叠加亦可以模拟两轮自平衡机器人在水平面上复杂的运动姿态，包括自旋、匀速转向、机器人走“8”字；采用非线性ro双回路控制器使姿态模拟器系统稳定性增强，同时提高了控制精度；L型外框的使用，减少了系统的重力不平衡力矩、提闻系统精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为小型自平衡机器人姿态模拟器的机械结构立体示意图。
[0009]图2为导轨滑台机械结构示意图。
[0010]图3为L型外框与中轴安装架结构图。
[0011]图4为固定平台的结构示意框图。
[0012]图5为电气系统结构示意图。
[0013]图中:1、底座,2、下层电机驱动器,3、联轴器,4、固定平台，5、L型外框,6、姿态传感器，7、支撑杆，8、导轨滑台，9、丝杆，10、导轨底座，11、开关电源，12、电源分配器，13、DSP控制器，14、上层电机,15、光电编码器a, 16、中层电机,17、下层电机,18、中层安装架，19、上层安装架，20、中层电机驱动器,21、上层电机驱动器,22、光电编码器b, 23、滚动轴承,24、滑轮。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0015]如图1、图2、图3、图4所示，一种小型自平衡机器人姿态模拟器，该模拟器包括底座1、下层电机驱动器2、联轴器3、固定平台4、L型外框5、姿态传感器6、支撑杆7、导轨滑台8、丝杆9、导轨底座10、开关电源11、电源分配器12、DSP控制器13、上层电机14、光电编码器al5、中层电机16、下层电机17、中层安装架18、上层安装架19、中层电机驱动器20、上层电机驱动器21、光电编码器b22、滚动轴承23、滑轮24。
[0016]其中，导轨底座10、下层电机驱动器2、中层电机驱动器20、上层电机驱动器21、DSP控制器13、开关电源11、电源分配器12均直接固定在底座I上。
[0017]导轨底座10上安装有丝杆9、下层电机17、滚动轴承23，导轨底座10两端通过螺栓连接固定在底座I上，丝杆9与导轨底座10通过滚珠轴承23固定在导轨底座10上，下层电机17 —端与光电编码器b22相连，另一端通过联轴器3与丝杆9相连；丝杆9与导轨滑台8内的螺纹孔通过螺纹配合连接在一起；导轨滑台8下端安装有滑轮24，其与导轨底座10轨道吻合，起支撑导轨滑台8的作用。
[0018]支撑杆7下端连接导轨滑台8，支撑杆7上端与固定平台4连接，保证固定平台4与导轨滑台8平行。
[0019]固定平台4下端通过四个预留的螺纹孔与中层电机16通过螺栓连接固定，固定平台4中心留有中心孔冲层电机16与导轨滑台8垂直；中层安装架18置于固定平台4上，中层安装架18的轴穿过固定平台4的中心孔与中层电机16相连；中层电机16直接驱动中层安装架18转动；同时为了布线方便，在固定平台4上预留有布线孔。
[0020]L型外框5固定在中层安装架18上，L型外框5底部设有对称的长形孔，螺钉穿过长孔与中层安装架18上预留的螺纹孔固定；同时长形孔的设计可以使L型外框5可以沿长形孔方向，调节其在中层安装架18上的位置；L型外框5的侧板预留有轴孔，轴孔周围是四个螺纹孔，并与上层电机14的安装孔对应，通过螺钉将上层电机14固定在L型外框5的内侦牝上层电机14的电机轴穿过L型外框5的轴孔固定上层安装架19 ;上层安装架19用来安装姿态传感器6。
[0021]上层电机14、中层电机16、下层电机17均采用步进电机。
[0022]光电编码器al5、光电编码器b22分别与上层电机14、下层电机17相连，用以测量上层电机14、下层电机17转过的角度，作为闭环反馈，防止步进电机失步。
[0023]上层电机14直接驱动上层安装架19，使上层安装架19能够围绕水平线做旋转运动，模拟自平衡机器人的俯仰姿态；中层电机16驱动中层安装架18，带动L型外框5及上层电机14转动，模拟自平衡机器人航向姿态；下层电机17通过丝杆驱动导轨滑台8做水平位移模拟自平衡机器人的空间水平移动。 [0024]DSP控制器13输出非线性H)双回路控制的占空比可调的PWM波，控制步进下层电机驱动器2、中层电机驱动器20、上层电机驱动器21，使上层电机14、中层电机16、下层电机17按照程序编定的步骤转动。
[0025]光电编码器al5、光电编码器b22,监测上、下层电机的旋转角度,如有失步需及时补足；同时将编码器所测量得到的电机速度反馈给DSP控制器13，作为控制模拟器电机速度的线性H)控制器的参考量。
[0026]姿态传感器6是模拟自平衡机器人运动姿态的关键器件，系统运动状态可以由姿态传感器6中各轴向陀螺仪测量的角速度、加速度计测量的加速度的值来直观的显示；同时姿态传感器6将测量得到的数值反馈到DSP控制器13，作为控制模拟器各轴向转动角度的非线性H)控制器部分的参考量。
[0027]电源分配器12含有高频电源模块，电源分配器12可以输出稳定的直流电为基础电路供电。
[0028]丝杆9将回转运动转化为导轨滑台8的直线运动,滚动轴承23将丝杆9的滚动摩擦变为滑动摩擦，减小的摩擦阻力。
[0029]L型外框5可以减少姿态模拟器的惯性载荷，重力不平衡载荷；一般设计中所采用的U型外框是通过配重的方式减小重力不平衡载荷；而本设计中的L型外框可以减少质心与转动中心的偏离程度，减少系统产生的倾覆力矩。
[0030]如图5所示为电气系统的控制图，电气系统分为:控制模块、姿态检测模块、执行模块、电源模块；其中电源模块为其它部分提供稳定的直流电源，控制模块发出指令控制执行模块中的步进电机按照程序编写的方式运行，并由编码器组成反馈回路。系统运动时各方向姿态角的变化，均由姿态检测模块测量，并上传上位机进行分析。同时数据反馈到DSP控制器，组成控制回路。
[0031]实施例
[0032]假设L型外框内被测件存在偏心质量miS=0.1kg，质心到转轴的距离Iis=0.05m,
[0033]重力不平衡力矩的计算式为:
[0034]M 重=H^glillCosa
[0035]公式中:M重-重力不平衡力矩，Nm ；
[0036]-偏心质量，kg ；
[0037]I偏——质心到转轴的距离，m ；
[0038]a——L型外框平面与水平面夹角，rad ；
[0039]考虑到本姿态模拟器的实际计算公式=Mi=HiisgIis=0.05N.m。[0040]常用旋转体的转动惯量的近似计算式为:
[0041]J=K.M.De2/4
[0042]公式中J—旋转体的转动惯量，kg* m2;
[0043]K——系数；
[0044]M-旋转体质量，kg ；
[0045]De-旋转体的飞轮计算直径，m ；
[0046]L型外框及附件、被测件(包括L框体、电机轴、电机、安装架、MEMS姿态传感器等)总转动惯量为:
[0047]J=K.M.De2/4=0.324kg.m2 ；
[0048]惯性力矩:M惯=J.ε
[0049]ε -物体的角加速度，rad/s2 ；
[0050]L型外框的转动惯量-Mm =J.ε =0.272Ν.m ；
[0051]M=M惯+M 重=0.322N.m
[0052]各电机均为42步进电机，电机力矩0.4N.m，满足系统需求。
[0053]为了提高姿态模拟器的仿真精度，采用非线性H)控制器实现PWM波的控制。控制器分为两部分，第一部分是控制姿态模拟器各轴系姿态的非线性ro控制器，控制器输入为
模拟器轴系的转动角度θ和角速度力，后一部分是控制模拟器电机速度的线性ro控制器，输入为步进电机的速度V和加速度P。第一部分采用的姿态传感器实现转动角度θ和角速
度?测量，后一部分利用光电编码器测量电机速度。
[0054]基于非线性ro双回路控制器计算公式
[0055]τ nl=NPD ( θ，V ) = τ ΝΒ+ τ ν
[0056]
【权利要求】
1.一种小型自平衡机器人姿态模拟器，其特征在于:该模拟器包括底座(1)、下层电机驱动器(2)、联轴器(3)、固定平台(4)、L型外框(5)、姿态传感器(6)、支撑杆(7)、导轨滑台(8)、丝杆(9)、导轨底座(10)、开关电源(11)、电源分配器(12)、DSP控制器(13)、上层电机(14)、光电编码器a (15)、中层电机(16)、下层电机(17)、中层安装架(18)、上层安装架(19)、中层电机驱动器(20)、上层电机驱动器(21)、光电编码器b(22)、滚动轴承(23)、滑轮(24)； 其中，导轨底座(10)、下层电机驱动器(2)、中层电机驱动器(20)、上层电机驱动器(21)、DSP控制器(13)、开关电源(11)、电源分配器(12)均直接固定在底座(1)上； 导轨底座(10)上安装有丝杆(9)、下层电机(17)、滚动轴承(23)，导轨底座(10)两端通过螺栓连接固定在底座(1)上，丝杆(9 )与导轨底座(10 )通过滚珠轴承(23 )固定在导轨底座(10)上，下层电机(17)—端与光电编码器b (22)相连，另一端通过联轴器(3)与丝杆(9)相连；丝杆(9)与导轨滑台(8)内的螺纹孔通过螺纹配合连接在一起；导轨滑台(8)下端安装有滑轮(24)，其与导轨底座(10)轨道吻合，起支撑导轨滑台(8)的作用； 支撑杆(7)下端连接导轨滑台(8)，支撑杆(7)上端与固定平台(4)连接，保证固定平台(4)与导轨滑台(8)平行； 固定平台(4)下端通过四个预留的螺纹孔与中层电机(16)通过螺栓连接固定，固定平台(4)中心留有中心孔；中层电机(16)与导轨滑台(8)垂直；中层安装架(18)置于固定平台(4)上，中层安装架(18)的轴穿过固定平台(4)的中心孔与中层电机(16)相连；中层电机(16)直接驱动中层安装架(18)转动；同时为了布线方便，在固定平台(4)上预留有布线孔； L型外框(5)固定在中层安装架(18)上，L型外框(5)底部设有对称的长形孔，螺钉穿过长孔与中层安装架(18)上预留的螺纹孔固定；同时长形孔的设计可以使L型外框(5)可以沿长形孔方向，调节其在中层安装架(18)上的位置；L型外框(5)的侧板预留有轴孔，轴孔周围是四个螺纹孔，并与上层电机(14)的安装孔对应，通过螺钉将上层电机(14)固定在L型外框(5)的内侧，上层电机(14)的电机轴穿过L型外框(5)的轴孔固定上层安装架(19);上层安装架(19)用来安装姿态传感器(6); 电气系统分为控制模块、姿态检测模块、执行模块、电源模块；其中电源模块为其它部分提供稳定的直流电源，控制模块发出指令控制执行模块中的步进电机按照程序编写的方式运行，并由编码器组成反馈回路；系统运动时各方向姿态角的变化，均由姿态检测模块测量，并上传上位机进行分析；同时数据反馈到DSP控制器，组成控制回路。
2.根据权利要求1所述的一种小型自平衡机器人姿态模拟器，其特征在于:上层电机(14)直接驱动上层安装架(19)，使上层安装架(19)能够围绕水平线做旋转运动，模拟自平衡机器人的俯仰姿态；中层电机(16)驱动中层安装架(18)，带动L型外框(5)及上层电机(14)转动，模拟自平衡机器人航向姿态；下层电机(17)通过丝杆驱动导轨滑台(8)做水平位移模拟自平衡机器人的空间水平移动。
3.根据权利要求1所述的一种小型自平衡机器人姿态模拟器，其特征在于:上层电机(14)、中层电机(16)、下层电机(17)均采用步进电机。
4.根据权利要求1所述的一种小型自平衡机器人姿态模拟器，其特征在于:光电编码器a (15)、光电编码器b (22)分别与上层电机(14)、下层电机(17)相连，用以测量上层电机(14)、下层电机(17)转动的速度，作为闭环反馈。
5.根据权利要求1所述的一种小型自平衡机器人姿态模拟器，其特征在于:DSP控制器(13)输出非线性ro双回路控制的占空比可调的PWM波，控制步进下层电机驱动器(2)、中层电机驱动器(20)、上层电机驱动器(21)，使上层电机(14)、中层电机(16)、下层电机(17)按照程序编定的步骤转动。
6.根据权利要求1所述的一种小型自平衡机器人姿态模拟器，其特征在于:光电编码器a (15)、光电编码器b (22)，监测上、下层电机的旋转角度；同时将编码器所测量得到的电机速度反馈给DSP控制器(13 )。
7.根据权利要求1所述的一种小型自平衡机器人姿态模拟器，其特征在于:姿态传感器(6)是模拟自平衡机器人运动姿态的关键器件，系统运动状态可以由姿态传感器(6)中各轴向陀螺仪、加速度计测量的数值上传上位机来直观的显示；同时姿态传感器(6)将测量得到的数值反馈到DSP控制器(13)。
8.根据权利要求1所述的一种小型自平衡机器人姿态模拟器，其特征在于:电源分配器(12)含有高频电源模块，电源分配器(12)可以输出稳定的直流电为基础电路供电。
9.根据权利要求1所述的一种小型自平衡机器人姿态模拟器，其特征在于:丝杆(9)将回转运动转化为 导轨滑台(8)的直线运动，滚动轴承(23)将丝杆(9)的滚动摩擦变为滑动摩擦。
【文档编号】G05D1/02GK103744297SQ201410005737
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月7日 优先权日:2014年1月7日
【发明者】阮晓钢, 于淼淼, 于乃功, 马圣策, 孙荣毅, 张晓平, 魏若岩, 李望博 申请人:北京工业大学