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雙超聲波數據融合的兩輪機器人平衡行進策略研究簡要研究了動輪自平衡機在分娩和分娩中應用中存在的問題，以及其結構點和姿態調平的控制策略。提出了一種基于雙超聲測距數據融合的平衡運行策略，用于故障保護機的平衡與調諧操作。通過將雙超聲數據與平衡計算方法相結合，在Arduino主控制器上實現自平衡姿態控制，認為對雙超聲傳感器數量進行了處理。通過以下方法保證機器的自平衡運行。同時在機器人的操作過程中加入PID控制算法，調節機器人的操作狀態，加快機器人信號誤差的處理速度。試驗和仿真結果表明，該策略是有效可行的，雙超聲自流平機能保持較好的平衡姿態，其進度控制系統和基本方向控制系統也是有效可靠的。具有較好的穩定性和平衡協調性。在平衡方法的控制下，雙超聲波機不僅實現了調平前進，還實現了運行策略下的調平后退和方陣方向控制下的調平轉彎。有一個廣泛的可用的前視圖。 0 引言 在復雜、狹窄的大轉角工作環境下，兩輪自平衡移動式機器人可以靈活、快捷地執行任務。這種移動式機器人兩輪共軸，機身重心置于輪軸重心上方，可憑借前后運動保持機身的相對平衡，實現動態平衡的直立行走。由于具有體積小、運動靈活、適應地形變化能力強等優點，兩輪自平衡移動式機器人可完成一些狹小環境內的任務[1,2]。在復雜環境下能對環境高效感知和及時調整自身姿態，是自平衡機器人的必備功能。由于單一的傳感器（比如超聲波傳感器）感知能力有限 ，因此需要由多個傳感器交互實現有效協調，提高工作效率，同時在不同的應用空間與任務空間中實現多傳感器數據融合[3,4]。 為改進兩輪自平衡移動式機器人的性能，提出了兩輪自平衡機器人姿勢平衡和行進策略，利用雙超聲波測距檢測平衡與行進特征，通過不斷檢測收集超聲波傳感器與地面的距離，進行數據濾波融合，以提高兩輪自平衡機器人的控制效果[6_7]。雙超聲波檢測提高了控制精度和集成度，在保證良好的平衡姿態和移動控制效果的前提下，有效降低了整體生產成本，并運用配套的數據融合處理算法，實現了對平衡姿態與行進姿態的調控。 1 雙超聲波姿態平衡動力學模型 兩輪自平衡移動式機器人的基本平衡控制原理為：當檢測到車體產生傾斜時，對主控系統通過檢測得到的數據進行融合、得出矯 正 的 角 度 值 與 輸 出 的占空比。 自平衡機器人主要通過驅動2個輪子的電機所產生的轉動力矩來控制機身傾斜方向的速度〜通過控制電機控制機身平衡姿態的調整，讓兩個輪子朝機身頃斜倒下的方向運動，進而保持機身的動態平衡 。平衡控制過程中，直接控制量為輪子的轉動力矩[8]。 若雙超聲波機器人作直線運動為輪軸半徑，沒為偏離Z軸的角度大小，θ為機器人運動的位移， V=θwr 為速度。假設不變θ，則速度在Z、F軸上可表示為： 由式（1)得速度模型：
自平衡機器人受力分析圖如圖1 所示。圖 1 中，〇為輪軸中心，P 為機身重心，機 體 質 量 為 〜 重 力 加 速度 為 g ，機軸傾角為a ，超 聲 波 A 直射到地面的距離為A ，超聲 波B 直射到地面的距離為Lb，重心距機身下的平臺的距離為L 。設機體以加速度a 向一邊傾斜，則受到水平方向的最優慣性合力為：
圖 1 自平衡機器人受力分析圖 2 雙超聲波測距控制方案 2 .1 超聲波測距原理與誤差調整 采用時間差測距的方式來完成距離測量，超聲波傳感器發射端向探頭正方向發射特定頻率的超聲波，內部電路的定時器在發射超聲波時開始計時。超聲波發射與回響檢測時序圖如圖2 所示。 發射電路會根據所給的脈沖發出特定頻率的超聲波 ，超聲波碰到被測物界面則會被反射回接收端。文獻 [9]采用了超聲波傳感器接收探頭接收到反射波后定時器停止計時的方法，進而得出超聲波發射和接收回波的時間差L 超聲波在傳播介質中的傳播速度為c(在空氣中為340 m/s)。通過計算，得出 從TXD端到被測界面之間的距離s 為 ：
由于超聲波頻率較高，可滿足多種用途的測量需要 。但在低維度空間中，超聲波測量會受到周邊溫度、自身響應冗余、回波遲緩、傳播介質等因素的影響。超聲波在固體中傳播速度最快，液體次之，在氣體中傳播速度最慢。聲 速 c 的表征速度與傳播介質的溫度有關 。為了實現超聲波傳感器的精確測量，文獻[9]提出在硬件中設置溫度補償電路，以補償因溫度變化而帶來的聲速誤差。如果環境溫度變化不明顯，則無需設置溫度補償。 對于超聲波發出速度有：
式中T。=273.16℃ ，溫度傳感器正常工作的溫度范圍為（ -40~80℃） 在本系統中，假設恒定不變，V0=331.45 m/s。由于在態中各個接收器波頭滯后誤差與硬件電路延遲比較一致，故渡越時間用相同變量可表示為：
由于超聲波的測量精度的影響文獻[9]、文獻[10]提出，定時器真正測量的不是從TXD發 射 到 RXD接收到回波的時間，而是超聲波模塊已進行溫度補償后的一個上升沿觸發電平的輸出時間。如果超聲波模塊A 的觸發點沒有被主控控制觸發，而是模 塊 B 的觸發點被觸發后發射超聲波，并 且 被 模塊A接收到返回信號，或者超聲波模塊A和超聲波模塊B同時觸發，但都接收到彼此的信號，都會造成信號干擾 ，使下個周期內TXD端口在某個不確定的時段發出一個高電平脈沖輸出，從而增大測量誤差[10]。 2 . 2 超聲波數據融合平衡算法
式中：L為機身前后的2個超聲波模塊A 、B 間的直線距離;A 為平衡點尚度。 在自平衡機器人基于雙超聲波的檢測中，假設采樣周期為100ms，在 A:時刻獲取超聲波實測值a、6,并結合(K - 1) 時刻的距離預測值。根據測量的預測協方差S對&時刻的測量值進行濾波估計修正，進而對(K+1) 時刻的距離進行預測。 測距獲取的平衡角度模型如圖3 所示。
圖 3 測距獲取的平衡角度模型 在估計平衡姿態機器人的運動狀態時，機器人的超聲波傳感器坐標采用極坐標系。設系統的狀態向量E (k )為:
系統平衡的狀態表達式為：
由于超聲波測距的采樣周期￡為300 ms，而機器人保持平衡的運動速度較為平緩，所以在局部時間段內設定調整過程為近似勻速運動，x方向的運動方程為 ：
取前一個采樣周期內速度的均值或者前兩個狀態周期內的速度均值，得 ：
由式（14)可得平衡系統的狀態方程為：
經過PID數據整定后的PWM輸出方程為：
基于Arduino的雙超聲波機器人平衡驅動系統經過PID調整后，輸出實現姿態的平衡。具體的超聲波雙向測距定位平衡模型如圖4 所示。由模型圖可得測量值Z(k)為 ：
圖 4 雙向測距定位平衡模型 由于各狀態變量的誤差符合均值為〇的高斯分布 ，故平衡策略下的測量方程為:
式中： C 為測量系統的表征參數，當系統為多測量系統時 ，C 為矩陣;F0 為測量系統在&狀態下的噪聲誤差。由平衡系統在極坐標下的雙超聲波測距徑向距離和融合后偏差方向角的測量數據可得：
測速碼盤對電機編碼器產生的PWM脈沖進行記數 ，監測機身的位移與輪子的速度。根據超聲波傳感器和姿態換算監測車體運動姿態信號，經過雙超聲波數據融合流程，文獻[11 ]通過相關的控制算法計算出輸出控制電壓的數值大小，對雙超聲波的2 個驅動電機進行控制 ，進而調整車體平臺的行進姿態與平衡位置，從而使機身保持良好的運動協調性和平衡狀態[11,12]。 2.3 控制方案與行進策略 Arduino如 今已被運用到各個領域 ，是一款使用Atmel Atmega328微處理控制器的開源控制板。其開發操作界面和搭建外設環境簡易，有 0~13個數字模擬I/O、0~5 個 Analog I/O,控制效果顯著。 自平衡機器 人 采 用 超 聲 波 電 路Arduino為核心控制模塊，電機驅 動模塊為L298N ，電機為TT馬達，并以2個HC-SR0 4 作為超聲波測距模塊，采 用 7.4 V/2200 mAh鋰電池供電。電位器用于平衡點設置與PID中的調試，方便數據的更新與調試，有效減少了開發時間與生產成本。 雙超聲波自平衡機器人的行進控制主要通過PWM占空比輸出控制電機轉速大小，進而調整角度值的偏差，使得角度值趨近系統平衡零點。 控制部分由無線藍牙遙控的代碼實現，功能實現為“前進狀態"、“后退狀態 ”、“左轉狀態 "、“右轉狀態”。從程序初始化參數設置可以看出，雙超聲波自平衡機器人的行進控制方案是先調整平衡點和PID設定系數，然后調整左右電機的PWM輸出 ，從而實現行進角度的控制與電機控制[13]。 3 試驗與仿真 雙超聲波機器人運用了主控Arduino,以簡單、快捷的編程實現與I/O 接口連接，通過雙超聲波傳感器進行環境測距定位，并利用控制算法進行機器人姿態平衡控制。在試驗驗證方面，通過仿真顯示超聲波采集到的回聲檢測數據。由超聲波接收端接收到的回聲檢測波形圖可知，平衡系統的姿態搖擺幅度不大，基本處于平衡零點上下，具備基本穩定性與數據的可計算性。 假設2 個超聲波傳感器經過互補濾波后，換算出的角度數據為，超聲波采集數據為s，超聲波傳感器測距換算出的偏差角度值相對加速度的因子為L 前一次超聲波傳感器經過濾波后的角度數據為M2，增益選擇固定值為g 。濾波后 的角度數據為realM，最后得出融合出的角度數據。 試驗結果證明，雙超聲波自平衡機器人能有效保持平衡，在平衡算法控制下能平衡行進;可實現行進策略下的平衡后退和方向控制下的平衡轉彎，穩定效果好。 4 結束語 參考文獻： 班寧產品匯總 |
