两轮机器人小车｜自平衡大考验

2021-12-04 18:15:39, China Marketing 英国雷尼绍公司(Renishaw)



石川淳先生在东京电机大学（TDU）的机器人与机电一体化学科任教，他向工学部的学生们提出一项考验：制作一辆两轮自平衡机器人小车。







挑战


石川淳先生对学生们提出的考验是：如何解决经典的控制理论难题 — 倒立摆。


学生们需要设计并集成一个高效的三件式解决方案，包括倾斜角度传感、控制逻辑和电机驱动电路。


对于为此控制应用设计的PCB（印刷电路板），尺寸小且重量轻是集成到车把内的决定性要素。他们对PCB的结构进行了优化，以确保在最小的封装尺寸内集成所有必需的功能。




解决方案


将PCB控制板安装在车把内，位于摆锤的顶部，承载所有必需的电子电路。


轮式平台的底部有两条轴：连接车轮的水平轴和由紧凑型直流电机驱动的垂直轴。两条轴的交叉处装有一个简单的锥齿轮传动装置，电机通过此传动装置可朝任意方向驱动车轮。
 
系统必须将方向保持在近乎垂直的极小角度范围内，才能进行有效控制。如果小车朝任一方向倾斜超过30 °，则可能会失去稳定性。为保持平衡，必须以经过精密计算的加速度和速度连续驱动车轮。

在电机轴上

耦合编码器





为达到预期的运动控制性能，学生们需要一个高分辨率位置编码器来监控和调节电机输出。而且，这个编码器还必须小巧轻便，能够容纳在小车纤薄的垂直结构中。





经过深思熟虑，他们最终选择了雷尼绍关联公司RLS的RM08磁旋转编码器。这款非接触式、无摩擦磁旋转编码器仅重2 g（包括电缆），具有铝制传感器外罩，直径为8 mm，厚度仅为3 mm。


学生们设计了一个细窄的尼龙衬圈，作为电机轴与RM08编码器的磁励体之间的机械连接，而这个设计只增加了不到0.5 g的重量。

RM08编码器产生12位分辨率输出（每转4,096步），可用于运行速度高达30,000 rpm的应用，精度达到±0.3 °。
 



结果


东京电机大学的学生们设计出一个运动控制方案，使用RM08高速磁旋转编码器以12位分辨率测量角度旋转，令两轮机器人小车保持自平衡和直立。




RM08编码器的防护等级达到IP68，专用于集成到各种大批量OEM应用中，性能非常可靠。


还有一点也很重要，磁旋转编码器还解决了这辆小车苛刻的物理设计限制。它的外形极为紧凑且轻巧，帮助学生们同时克服了空间和负载限制。

 




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