RLS磁編碼器增強兩輪自平衡機器人小車的穩定性控制
2021-12-30 來源：雷尼紹 作者：-
在設計兩輪自平衡機器人小車時，精確、快速地測量角度旋轉是一項關鍵要求。除此之外，零部件的重量和尺寸最小化也同樣重要。東京電機大學 (Tokyo Denki University, TDU) 工學部的學生，利用雷尼紹關聯公司RLS的RM08磁旋轉編碼器解決了這個問題。
背景
東京電機大學是一所致力于科學和技術教育的高校，于1907年由兩位年輕的工程師廣田精一和扇本真吉創立，其辦學宗旨是推動工程學科教育，為國家經濟發展奠定基石。
石川淳先生在TDU的機器人與機電一體化學科任教，并且在機器人控制系統開發等多個技術領域開展先驅研究。石川淳先生向工學部的學生們提出一項考驗：制作一輛兩輪自平衡機器人小車。在這個項目中，學生們選擇了雷尼紹關聯公司RLS的RM08磁旋轉位置反饋編碼器。
挑戰
石川淳先生對學生們提出的考驗是：如何解決經典的控制理論難題 — 倒立擺。比如著名的Segway（賽格威）電動平衡車，它的技術基礎是將倒立擺的質心設計在支點上方。
倒立擺與懸掛擺不同，懸掛擺會在移位后自然恢復到穩定的平衡位置，而倒立擺具有內在的不穩定性。想象一下，將臺球桿或掃帚柄直立倒放在手掌上，如果不持續調整手的位置，它就會翻倒。
較短的倒立擺比較長的倒立擺加速遠離垂直位置的速度更快，因此需要更頻繁地調整位置，而且更難控制。比如，在手掌上保持鋼筆直立比保持臺球桿直立更難。
Segway所采用的一種解決方案是，將支點放在輪式平臺上。這種車輛從IMU（慣性測量單元）獲取慣性輸入。IMU包含兩個傳感器：加速度計和陀螺儀。
在這種情況下，垂直軸和水平軸上的加速度計均用于確定重力引起的角度加速度。通過不斷監測擺錘的傾斜角和角速度，可使用PD（比例微分）控制系統來驅動車輪向前或向后滾動，以此保持平衡。
學生們決定在他們自己設計的控制系統中采用一種類似的方法，因此他們需要設計并集成一個高效的三件式解決方案，包括傾斜角度傳感、控制邏輯和電機驅動電路。對于為此控制應用設計的PCB（印刷電路板），尺寸小且重量輕是集成到車把內的決定性要素。他們對PCB的結構進行了優化，以確保在最小的封裝尺寸內集成所有必需的功能。
解決方案
將PCB控制板安裝在車把內，位于擺錘的頂部，承載所有必需的電子電路，包括固態陀螺儀、微控制器、直流電機驅動器和電源管理組件。
輪式平臺的底部有兩條軸：連接車輪的水平軸和由緊湊型直流電機驅動的垂直軸。兩條軸的交叉處裝有一個簡單的錐齒輪傳動裝置，電機通過此傳動裝置可朝任意方向驅動車輪。
系統必須將方向保持在近乎垂直的極小角度范圍內，才能進行有效控制。如果小車朝任一方向傾斜超過30 °，則可能會失去穩定性。為保持平衡，必須以經過精密計算的加速度和速度連續驅動車輪。
為達到預期的運動控制性能，學生們需要一個高分辨率位置編碼器來監控和調節電機輸出。而且，這個編碼器還必須小巧輕便，能夠容納在小車纖薄的垂直結構中。
經過深思熟慮，他們最終選擇了雷尼紹關聯公司RLS的RM08磁旋轉編碼器。這款非接觸式、無摩擦磁旋轉編碼器僅重2 g（包括電纜），具有鋁制傳感器外罩，直徑為8 mm，厚度僅為3 mm。
學生們設計了一個細窄的尼龍襯圈，作為電機軸與RM08編碼器的磁勵體之間的機械連接，而這個設計只增加了不到0.5 g的重量。RM08編碼器產生12位分辨率輸出（每轉4,096步），可用于運行速度高達30,000 rpm的應用，精度達到±0.3 °。
結果
東京電機大學的學生們設計出一個運動控制方案，使用RM08高速磁旋轉編碼器以12位分辨率測量角度旋轉，令兩輪機器人小車保持自平衡和直立。
RM08編碼器的防護等級達到IP68，專用于集成到各種大批量OEM應用中，性能非常可靠。
還有一點也很重要，磁旋轉編碼器還解決了這輛小車苛刻的物理設計限制。它的外形極為緊湊且輕巧，幫助學生們同時克服了空間和負載限制。
這個項目的成功為學生們樹立了信心，激勵他們繼續探索更多的高階機器人項目。
詳情請訪問www.renishaw.com.cn/denki
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