煤矿双轮平衡小车自主式入库出库系统

点赞:5087 浏览:14809 近期更新时间:2024-01-07 作者:网友分享原创网站原创

[摘 要] 通过融合电子技术、传感技术和无线通讯等技术手段,深入探讨了煤矿双轮平衡小车自主式入库出库系统.讨论了该系统的构成和基本原理,完成其硬件设计、控制策略与软件实现以及系统的调试等问题.调试结果表明了该系统的可行性,不仅对移动机器人有着很好的理论研究意义,同时对智能平衡车的智能化停放问题具有一定的参考价值.

[关 键 词 ] 煤矿双轮平衡小车; 车库系统; PID控制; 入库出库

1.前言

机器人技术作为21世纪非常重要的技术,涉及的学科有材料科学、控制技术、传感器技术、算机技术、微电子技术、通讯技术、人工智能、仿生学等多种学科[1].移动机器人是机器人学的一个重要分支,美国斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen 和Charles Rosen 等人于1966年至1972年研造出了自主移动机器Shakey[2],这打开了移动机器人研究的开端.

双轮自平衡小车是一种高度不稳定两轮移动机器人,是一种多变量、非线性、强耦合的系统.在军用和民用领域有着广泛的应用前景,最近十年引起了大量机器人技术实验室的广泛关注.在国内,哈尔滨工程大学尹亮制作出了双轮移动机器人Sway,中国科学技术大学自动化系和力学系多位教授、博导、博士、硕士研究生和本科生联合研制成了平衡电动代步车Free Mover[3].

2011年10月,在第110届中国进出口商品交易会上, 智能平衡车作为广交会的指定代步车[4].本论文以煤矿双轮平衡小车为研究对象,以车库系统为载体,主要研究了智能平衡车的自主式停放问题.首先介绍了系统总体设计方案,进而简要分析了系统原理并建立相应的模型,然后对系统的硬件电路部分作出说明,最后对于系统的算法、控制策略和软件实现及调试进行了探讨.

2.系统总体方案设计

煤矿双轮平衡小车自主式入库出库系统是一个相对较为复杂的综合系统,要求各个组成部分具有较强的耦合性[5].要使系统能够顺利进出车库,模拟现实中的停车过程,需由煤矿双轮平衡小车和车库系统两个主要部分构成,并且达到以下几个要求:


(1) 在系统完好的情况下,煤矿双轮平衡小车在任何时间都能够保持较为稳定的平衡;

(2) 煤矿双轮平衡小车能够识别车库路线,自动循迹;

(3) 车库设有行车路线和足够的车位,以便停车使用;

(4) 车库能将车位的信息进行记录并以一定的方式传递给行车;

(5) 煤矿双轮平衡小车能够掌握车库中停车位信息,并能完成停车动作.

2.1 煤矿双轮平衡小车方案设计

煤矿双轮平衡小车是一个极为不稳定的机器人系统,要能够完成自主自立、自动循迹、自主进出车库等一系列功能,根据实际情况需要考虑到小车模型选取、双轮小车的结构、主控芯片的选型、传感器的选择等,从而完成小车的具体实现[6],如图1(a)、(b)所示.图中的双轮小车模型是由飞思卡尔智能汽车竞赛的双电机车模改造而成,其中电源电池安装在车身的后面,与轮胎平齐,降低了车身重心,提高了小车直立的稳定性,CCD路径检测传感器安装在车体顶端下部,增强了小车的识别效果,主控板和驱动桥均制作成电路板安装在小车上,控制其重心在中心偏下.

2.2 车库系统方案设计

车库的设计注重功能性[4]和创意性,采取立体环形多车位设计思路,完成车库系统模型.该车库包括车库门禁模块,多车位设置模块等部分[5].

门禁模块的开合主要由舵机控制,通过给出相应的脉冲信号,使得舵机工作,带动栏杆使其能够在0°~90°之间开合,图2(a)、(b)、(c)分别是该模块工作在关闭、半开、全开等不同的状态.

为节省整个车库所占空间的大小,采用环形路线,给小车的移动和进出车位留有较大的空间裕量.所有标记车位均可作为停车位,其中底层车库和上层车库的连接由圆盘中间的升降盘实现.当停车位指定在上层车位时,小车必须进入4号车库,进入升降盘到达上层车库,从而在上层车库的空闲车位停车,如图3(a)、(b)所示.

在实际制作过程中将两个主要组成部分进行交互融合,从而使得该系统具有更强的整体性和可靠性,图4为系统的整体结构图.

3.系统原理分析与建模

煤矿双轮平衡小车可当做移动机器人来研究,相比四轮着地状态,小车的控制任务更为复杂.在感知倾斜度的情况下,只要控制轮子转动来抵消车身在一个维度上倾斜的趋势,便可以保持车体平衡了,如图5所示.

直立着的小车可以看成放置在可以左右移动平台上的倒立着的单摆[5].如图6所示.

在非惯性系中,物体由于惯性会受到惯性力,下面对倒立摆的受力情况进行分析,如下图7所示.

车模运行速度和加速度是通过控制车轮速度实现的,车轮通过车模两个后轮电机经由减速齿轮箱驱动,因此通过控制电机转速可以实现对小车的运动控制[7],如图9所示.

4.系统硬件设计与实现

设计小车入库出库控制系统的电路,首先需要分析系统的输入、输出信号,然后选择合适的核心控制嵌入式计算机(单片机),逐步设计各个电路子模块,最后形成完整的控制电路[6].

从主控芯片到电源部分,到传感器部分,到驱动部分,再到外设接口,对器件选择和设计原理都做了详细研究,并综合基本原理和系统方案,通过测试,最终确定并完成了整个系统的硬件设计,整体电路的设计思路如下图10所示.

将各部分电路一一进行实现,并制作成相对应的PCB板,如图11为该系统的一块主控板.

5.系统控制算法和软件设计

就整个系统而言,小车作为控制对象,它的控制输入量是两个电极的转动速度[7].系统的整个控制策略分为两个部分,直立行走控制和入库出库过程的控制[8-10]. 5.1 直立行走控制策略

实现小车的直立行走,其运动控制任务可以分解成以下三个基本控制任务[8]:

(1) 控制车模平衡;

(2) 通过调节车模的倾角来实现车模速度控制;

(3) 控制车模方向.

通过综合考虑,实现三个控制的实现,最终将其叠加在电机的输出量上,达到小车的直立行走目标,如图12所示,即为小车直立行走的控制策略.

5.2 入库出库控制算法

小车的直立行走是本系统的基础与前提,其次才能考虑小车的进出车库的过程.

当小车入库时,启动门禁系统,进入车库后开始以事先设定的顺时针方向绕着圆环行进,不断检测车位,检测到空闲车位,便进入该车位,其详细的入库控制算法如图13所示.

当小车出库时,等待出库时间到达后,小车驶出车位,通过CCD传感器自动循迹进入行进路线,此时屏蔽识别车位信息,绕过4号车位后,门禁系统响应,小车驶出车库,其出库控制算法如图14所示.

系统程序的总体结构图如下图15所示.从主函数开始,首先完成对系统资源的初始化配置,然后打开定时中断.实际测试过程中,中断时间设置为2.5mS较为合适,在这段时间中,执行完所有控制程序,其中包括信号读取、信号处理、控制算法、入库出库和输出等子函数.

所有控制均采用了PID控制算法,将最终的输出量PWM进行叠加,利用串口通讯和上位机结合,将相关的数据通过无线发送回上位机,显示小车在车库的运行状态,监测相关变量的变化情况,如倾角、速度、行车路线等控制量的变化[9-12],如图16所示.调整合适的参数,实现小车的平衡直立并自主进出车库过程,完成智能停车功能.

6.总结与展望

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煤矿双轮平衡小车自主式入库出库系统是基于移动机器人的复杂非线性系统,是在以双轮平衡车为代表的移动机器人的基础上研究其指定停车问题,将煤矿双轮平衡小车和车库系统的研究结合为一体,具有重大的理论和实际意义.

未来工作将会向着加强小车平衡控制的稳定性和鲁棒性及进一步提高车库系统多功能智能化的方向上发展,同时无线通信技术的运用将会广泛应用与智能小车和智能车库交互系统,这将进一步完善系统的功能,使车辆智能化指定停车模式得以实现,造福科技生活,造福人类.

[参考文献]

[1] 李磊,叶涛,谭民等. 移动机器人技术研究现状与未来[J]. 机器人. 2002.

[2] 缪寿洪,曹其新,孔祥宣. 自行直立双轮移动机器人设计与实现[J]. 上海交通大学学报.2006.

[3] http://.geology.u.edu/~dpa-/robo/nbot/.

[4] Hyo-Gyoung Kwak and Jong―Young Song.Live load factors for parking garage member[J]. Structural safety.2002(08):58-62.

[5] Xiangxuan KONG, Qixin CAO, Shouhong MIAO, Zhen ZHANG. The Control System of Two-wheeled Self-erect Mobile Robot. Proceedings of 2006 International Conference on Artificial Intelligence. Aug. 1-3 2006.

[6] 贾常俊.智能立体车库控制系统的设计与研究[D].兰州理工大学硕士学位文,2010.

[7] 第七届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛电磁组直立行车参考设计方案.竞赛秘书处.2012.

[8] 刘明;王洪军等.直立行走的智能车设计方案. 科技信息[J]2012

[9] 屠运武, 徐俊艳等. 自平衡控制系统的建模与仿真. 系统仿真学报[J]. 2004.

[10] 黄友锐, 曲立国.PID控制器参数整定与实现[M].北京:科学出版社,2010.

[11] 屠运武. 自平衡控制系统的研究[D].中国科学技术大学硕士学位论文. 2004.

[12] Anderson,C.W. Learning to control an inverted pendulum using neural works. Control Systems Magazine, IEEE, Volume 9 ,Issue: 3 ,April 1989 Pages:31-37.