概述

機器人運動系統式一套高復雜性、高耦合性、驅動力小于機體物理自由度的非線性系統，為了實現機器人在空間中穩定的運動姿態控制，本設計把機器人運動系統在空間中的運動形式等效成了旋轉倒立擺模型，基于該模型的運動特點，分別設計了速度閉環控制算法和角度閉環控制算法，通過雙閉環控制算法來實現對空間中旋轉倒立擺的穩定控制。

開發環境

硬件：該設計硬件依托于ART-PI開發平臺，主控芯片采用STM32H750高性能單片機，同時采用TB6612芯片作為旋轉倒立擺的核心動力驅動，采用霍爾傳感器作為速度采集，采用高精度電位器作為擺臂角度采集傳感器，采用OLED屏幕來進行參數的顯示，與實時調整。

RT-Thread版本：RT-Thread版本采用4.0.2

開發工具及版本：mdk5.32版本

RT-Thread使用情況概述

本設計采用rt-thread 4.0.2 master版本，用到了該操作系統的全內核、FinSH控制臺交互，SPI驅動、ADC驅動、編碼器驅動、PWM驅動等相關系統驅動，并且編寫了雙閉環PID控制算法。

軟件框架說明

本設計硬件平臺基于ART-PI，核心部分已經固定，針對旋轉倒立擺機械部分，其結構如下圖所示：

軟件模塊說明

本設計最關鍵的部分是PID算法的實現，針對倒立擺的運動特點，進行了優化與調整，PID算法的實現基于經典控制理論中線性控制的理論基礎：

在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節[6]。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的?其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，

在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統，如果在進入穩態后存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例加積分(PI)控制器，可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。?

微分(D)控制?

在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分(即誤差的變化率)成正比關系。自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件(環節)或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，?其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。

這就是說，在控制器中僅引入?“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例微分的控制器，就能?夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例微分(PD)控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。

演示效果

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比賽感悟

本次比賽基本是利用業余時間一點一點完成，中間遇到了一些困難，主要問題出現在對芯片的底層配置上，不過通過對比手冊介紹與仿真，都能初步解決。得益于RT-Thread操作系統完善的內核管理，調試交互，驅動設計、使得在設計中少走了很多彎路，加快了開發速度，推薦大家都來嘗試使用該系統，真的很好。

原文標題：【RT-Thread作品秀】基于嵌入式操作系統的機器人驅動控制模型算法設計與實現

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