智能平衡移动机器人（MATLAB/Simulink版·微课视频版）

作者简介

甄圣超，合肥工业大学副教授，机械电子工程专业，研究生导师，合肥工业大学智能制造技术研究院机器人创新平台负责人、动力学与控制研究中心主任。硕博期间，于美国佐治亚理工学院机电系师从Ye-Hwa Chen教授进行机器人动力学与控制理论的研究。主持合肥工业大学智能制造技术研究院机器人公共平台建设项目、国家自然科学基金青年科学基金项目与面上项目、中国博士后科学基金面上项目（一等资助）、浙江省重点研发项目等。主持机器人相关横向项目10余项。近5年来，致力于协作机器人、智能控制等方向的学术研究，在国际国内权威期刊上以第一作者或通讯作者发表论文40余篇，出版专著《机电系统动力学控制理论——U-K动力学理论的拓展与应用》，授权国家发明专利15项，软件著作权30余项。

内容简介

第3章 CHAPTER 3 平台硬件电路介绍 本章的主要内容包括智能平衡移动机器人平台统一 硬件接口电路的设计，关键的主控板、电源板、驱动板 及其他传感器及拓展模块电路的设计。 视频讲解 3.1硬件电路接口设计 为了使智能平衡移动机器人达到更好的平衡控制效 果，机器人的本体设计更为轻便、集中。机器人的硬件 电路也进行集中化设计，整个机器人本体使用一块控制 底板Forest S1，使其功能外设都能通过这块控制底板 引出，这样大大提升了整车的集成度和控制的灵活性。 移动机器人控制底板Forest S1的原理图与安装示意图 分别如图3.1和图3.2所示。 图3.1Forest S1原理图 图3.2Forest S1安装示意图 硬件电路主要模块包括： 主控制器电路（包含了 仿真电路）负责运行控制程序以及实现控制信号的输出 与外部电平信号的采集，电源管理电路将锂电池的电压 转换到主芯片、驱动芯片及其他传感器合适的工作电压 ，电动机驱动电路驱动电动机运行，传感器电路用于自 身姿态和周围环境信息的采集以及其他拓展接口电路。 3.2主控制板电路 主控制器主要包括仿真电路与主控芯片电路，使得 主控制板在脱离其他模块的时候也能够独立进行仿真与 程序的运行，所有需要的功能引脚通过Forest S1主控 板的引脚引出，主控制板的独立设计使得移动机器人的 元器件集成度更高，便于机器人移动时的平衡控制，其 主控制板电路结构如图3.3所示。 图3.3主控制板电路结构 通常在实时数字信号处理中，高层处理算法的特点 是所处理的数据量与低层算法相比数据量少，但算法结 构复杂，可以使用运算速度快、寻址方式灵活、通信机 制强大的DSP芯片来实现。由于智能平衡式机器人本身 结构上具有的不稳定性，要求姿态检测与相关控制量的 计算能够达到一定的频率来实现更稳定的控制，为了实 现更好的控制效率，控制器采用TI C2000系列DSP控制 芯片TMS320F28069数字信号处理器，作为一种高效率的 32位浮点CPU，其特有的eQEP功能即正交解码单元使得 读取编码器信号变得简单，使得电动机的速度与位置信 号能够被准确采集，其余外设功能丰富，具体特性如下 所示。 （1） 内核。  高效率32位浮点CPU（TMS320C28x）。  主频90MHz（11.11ns 周期时间）。  哈佛(Harvard) 总线架构。  快速中断响应及处理。  高编码效率（采用C/ C++语言和汇编语言）。 （2） 运算。 "1. 例程丰富，内容翔实 本书既有经典实例（如，利用GPIO点亮一个LED灯），又有拓展实例（如，利用eCAP模块结合智能平衡移动机器人的超声波模块HC-SR04进行距离检测），既体现智能平衡移动机器人的基础知识（如，基础平衡控制系统框架搭建），又体现创新融合（如，利用红外循迹模块完成移动机器人循迹运动）。 2. 原理透彻，注重应用 将理论和实践有机地结合是进行智能平衡移动机器人研究和应用成功的关键。本书将智能平衡移动机器人控制的相关理论在硬件和软件方面进行了详细的叙述和透彻的分析，既体现了各知识点之间的联系，又兼顾了其渐进性。 3. 传承经典，突出前沿 本书提供了MBD工程开发方法：融合建模、仿真、实时控制、自动代码生成、硬件在环仿真、快速控制原型技术。 4. 资源丰富，便于教学 本书配套微课视频、教学课件、工程文件、教学大纲等资料。"