一种基于陀螺仪反馈的机器人舵机控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机器人舵机控制领域，涉及一种基于陀螺仪反馈的舵机控制系统，特别应用于基于模糊混合逻辑的PID控制算法产生舵机校准的驱动PWM波形，进行实时的位置校准。
【背景技术】
[0002]随着计算机科学技术的不断完善与发展，人类生产工作强度越来越大，劳动力需求不断增长，而个人劳动力资源有限，为缓解这种矛盾，人类开始在机器人领域展开研宄，希望借助机器人的高效性、执行力来推动社会的进步和生产力提高。机器人隶属智能控制范畴，而机器人运动控制是机器人能否迈向实用的关键，环境参数采集、控制算法生成以及控制运动走向是机器人智能运动的起点，舵机的有效控制是直接影响机器人运动的灵活性、时效性的核心。基于陀螺仪反馈的舵机控制系统以特殊直流电机(舵机)为驱动设备，在舵机对机器人运动执行控制基础上，利用陀螺仪进行机器人的运动轨迹校准，实现其反馈补偿控制，保证机器人具有更多自主性，具备根据环境变化自发调整自己行为，最大限度实现自配置、自优化、自愈合、自保护。
[0003]目前传统的舵机控制系统主要有:(I)基于电位计舵机控制，一般不作为新型机器人舵机控制，它仅能计算舵机转速，缺乏反馈调整，因此控制系统缺乏目标锁定控制机制；同时定位精度也较低；(2)基于传统PID控制的舵机控制系统，其采用精确的数学模型，具备控制结构简单、控制设计便捷、可控性强等优点，但针对非线性系统、高阶及存在时延的系统，其应用举步维艰；(3)基于模糊控制的舵机控制系统，设计大部分仅来源于设计者经验，缺乏精确、严密的数学推导，因此，模糊控制的可靠性、可控性以及稳定性也深受关注。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是，针对传统舵机控制系统在非线性控制方面存在结构复杂、可控性大打折扣的上述不足，提供一种基于陀螺仪反馈的机器人舵机控制系统，实现对舵机的反馈补偿控制，保证机器人具有更多的自主性。
[0005]本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是:
[0006]一种基于陀螺仪反馈的机器人舵机控制系统，至少包括如下模块:
[0007]传感器模块，用于在机器人运动过程中实时采集机器人舵机的角速度、角位移信息，并将采集的角速度、角位移信息转换成调理的模拟电压信号输出；
[0008]控制器模块，包括PID控制器模块和PWM信号产生模块，所述PID控制器模块用于将传感器模块采集的样本参数进行处理，并转变成PID控制参数，PID控制器模块采用基于模糊混合逻辑控制的PID控制算法对PWM信号进行调节；PWM信号产生模块，用于产生舵机驱动的PWM信号，PWM信号通过控制器模块的GP1 口输出；
[0009]上位机控制信令输入模块，用于实现上层控制信令的输入；
[0010]舵机模块；
[0011]电源模块，用于为系统提供电源；
[0012]所述传感器模块与舵机模块连接，传感器模块的输出端与控制器模块的AD接口连接，传感器模块通过AD接口与控制器模块的PID控制器模块的输入端相连；PID控制器模块的输出端与PWM信号产生模块的输入端连接，PWM信号产生模块的输出端经控制器模块的GP1 口与舵机模块连接；上位机控制信令输入模块通过串口通信与控制器模块连接。
[0013]按上述方案，所述传感器模块采用Analog Device公司的小尺寸、薄型、低功耗的陀螺仪ADXL335加速度计芯片，内部包含多晶硅表面微加工传感器、信号调理电路，传感器用于采集运动机器人角速度、角位移信息，信号调理电路用于将角速度、角位移信息处理输出X、Y、Z三通道与加速度成比例的模拟电压信号。
[0014]按上述方案，所述控制器模块采用工业级的32位ARM Cortex_M4处理器STM32F415 芯片。
[0015]按上述方案，所述PID控制器模块包括PID控制器、模糊控制器，PID控制器将偏差信号处理后送往模糊控制器的微分接口，模糊控制器用于产生比例、积分、微分权值参数注入到PID控制器，PID控制器在接收到上述参数后，产生PWM信号的控制比例函数。
[0016]按上述方案，所述PWM信号产生模块利用控制器模块芯片内部的定时器和计数器，通过定时器的基准周期设计好相应的定时器中断次数，通过计数器累加中断次数来控制输出的信号的脉冲宽度，产生足够驱动舵机预定值的PWM信号(即控制PWM波形有效宽度)。
[0017]按上述方案，所述舵机模块选取Futuba S300舵机。
[0018]本发明的工作原理:将过程控制技术应用到舵机控制系统中，通过陀螺仪实时地对运动中的机器人角速度、角位移等信息进行采集处理转换为电压信号，得到PID控制器模块输入信号，结合上位机控制信令或预设轨迹、经过控制器模块分析与处理(基于模糊混合逻辑控制的PID控制算法)，控制器模块产生舵机控制的驱动信号PWM波形，实现了机器人的实时位置校准。
[0019]本发明的有益效果在于:
[0020]1、本发明针对非线性系统下过程控制结构简单、控制便捷、性能优越特性大大折扣，算法稳定时间不足问题，运用陀螺仪实时数据采集技术，模糊逻辑控制技术、软件PWM波形产生技术，通过深入系统的研宄运动机器人灵活性、时效性的评定准则，实现对舵机的反馈补偿控制，保证机器人具有更多的自主性，具备根据环境变化自发调整自己行为，最大限度地实现自配置、自优化、自愈合、自保护，对机器人能否迈向实用有着非常重要的意义；
[0021]2、陀螺仪对机器人三维(X，Y, Z)运动状态的实时采集，并通过信号传输反馈给下位机。下位机对机器人实时运动状态进行判断。通过下位机对机器人运动状态跟预定值进行比对，并对比对差值进行舵机运动控制的实时补偿修正，从而大幅度的提高了舵机的运动精度；
[0022]3、PID控制器模块使用基于模糊混合逻辑控制的PID控制算法，克服传统系统在具备结构简单、性能优越特性在非线性系统上大打折扣问题；算法稳定时间也大幅度提升。
【附图说明】
[0023]图1是本发明基于陀螺仪反馈的机器人舵机控制系统的整体结构示意图；
[0024]图2为本发明的工作流程图。
【具体实施方式】
[0025]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0026]如图1所示，本发明所述的基于陀螺仪反馈的机器人舵机控制系统，至少包括如下模块:
[0027]传感器模块，用于在机器人运动过程中实时采集机器人舵机的角速度、角位移信息，并将采集的角速度、角位移信息转换成调理的模拟电压信号输出；传感器模块采用Analog Device公司的小尺寸、薄型、低功耗的陀螺仪ADXL335加速度计芯片，内部包含多晶硅表面微加工传感器、信号调理电路，传感器用于采集运动机器人角速度、角位移信息，信号调理电路用于将角速度、角位移信息处理输出X、Y、Z三通道与加速度成比例的模拟电压信号;
[0028]控制器模块，包括PID控制器模块和PWM信号产生模块，所述PID控制器模块用于将传感器模块采集的样本参数进行处理，并转变成PID控制参数，PID控制器模块采用基于模糊混合逻辑控制的PID控制算法对PWM信号进行调节；PWM信号产生模块，用于产生舵机驱动的控制信号；控制器模块采用工业级的32位ARM Cortex-M4处理器STM32F415芯片；PID控制器模块包括PID控制器、模糊控制器，PID控制器将偏差信号处理后送往模糊控制器的微分接口，模糊控制器用于产生比例、积分、微分权值参数注入到PID控制器，PID控制器在接收到上述参数后，产生PWM信号的控制比例函数；PWM信号产生模块采用控制器模块芯片内部的定时器和计数器，通过定时器的基准周期设计好相应的定时器中断次数，通过计数器累加中断次数来控制输出的信号的脉冲宽度，从而产生出足够驱动舵机预定值的PWM信号(即控制PWM波形有效宽度)