СБОРНИК
НАУЧНЫХ ТРУДОВ НГТУ

ISSN: 2307-6879
English | Русский

Последний выпуск
№2(92) Апрель - Июнь 2018

О применении МЭМС-датчиков при разработке системы автоматической стабилизации двухколесного робота

Выпуск № 3 (89) Июль - Сентябрь 2017
Авторы:

А.Ю. Ивойлов
DOI: http://dx.doi.org/10.17212/2307-6879-2017-3-32-51
Аннотация

В статье рассматриваются особенности применения МЭМС-датчиков при разработке системы автоматической стабилизации двухколесного робота. Данное устройство с математической точки зрения является объектом вида «Перевернутый маятник» с точкой подвеса на оси колеса. В процессе работы системы стабилизации этого устройства необходимо оценивать угол его отклонения от вертикали. В настоящее время широкое распространение получили различные виды МЭМС-датчиков, которые успешно применяются для решения этой задачи. В работе рассмотрены преимущества и недостатки различных типов датчиков (акселерометра и гироскопа) применительно к задаче оценки угла отклонения от вертикали. Показано, что гироскоп как датчик угла отклонения имеет преимущество перед акселерометром в рамках решаемой задачи. Изучаются способы компенсации основного недостатка гироскопа – дрейфа нуля. В качестве одного из вариантов решения этой проблемы рассматривается применение комплементарного фильтра. Данный фильтр использует показания акселерометра для исключения дрейфа нуля гироскопа и является достаточно распространенным в настоящее время инструментом, в том числе и для решения задач, близких к рассматриваемой в данной статье. В работе показано теоретически и экспериментально, что данный фильтр не всегда дает приемлемый результат и может вносить существенные искажения в динамику работы системы стабилизации. Рассматривается возможность применения альтернативного варианта оценки угла наклона, в основе которого лежит неявное использование показаний датчика угла поворота колеса – энкодера. Проведено численное моделирование, показывающее работоспособность этого варианта системы стабилизации.


Ключевые слова: перевернутый маятник, балансирующий робот, система автоматического управления, МЭМС-датчик, акселерометр, гироскоп, энкодер, комплементарный фильтр, дрейф нуля

Список литературы

1. Колесникова Г.П., Формальский А.М. Об одном способе моделирования походки человека // Инженерный журнал: наука и инновации. – 2014. – № 1.



2. Саблина Г.В. Разработка и исследование методики стабилизации объекта управления «каретка-маятник»: автореф. дис. … канд. техн. наук. – Новосибирск, 2000. – 17 с.



3. Формальский А.М. Управление движением неустойчивых объектов. – М.: Физматлит, 2012. – 232 с. – ISBN 978-5-9221-1460-8.



4. Ивойлов А.Ю., Жмудь В.А., Трубин В.Г. Разработка системы автоматической стабилизации в вертикальном положении двухколесной платформы // Автоматика и программная инженерия. – 2014. – № 2 (8). – С. 15–21.



5. Разработка системы стабилизации угла отклонения балансирующего робота / Д.С. Федоров, А.Ю. Ивойлов, В.А. Жмудь, В.Г. Трубин // Автоматика и программная инженерия. – 2015. – № 2 (12). – С. 16–34.



6. Fisher C.J. Using an accelerometer for inclination sensing [Electronic resource]. – URL: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/appli-cation-notes/AN-1057.pdf (accessed: 23.11.2017).



7. Pedley M.Tilt sensing using a three-axis accelerometer [Electronic resource]. – URL: https://www.nxp.com/docs/en/application-note/AN3461.pdf (accessed: 23.11.2017).



8. Шахнович И. МЭМС-гироскопы – единство выбора // Электроника: наука, технология, бизнес. – 2007. – № 1. – С. 76–85.



9. Digital Output Gyro Sensor for Navigation [Electronic resource]. – URL: http://www5.epsondevice.com/en/information/technical_info/pdf/wp140417gyrosensor_e.pdf (accessed: 23.11.2017).



10. Malinen E. Fusion of data from quadcopter’s inertial measurement unit using complementary filter: bachelor’s thesis. – Lappeenranta, 2015.



11. Colton S.The balance filter. – Massachusetts: Massachusetts Institute of Technology, 2007.



12. Мещеряков Я.Е., Кориков А.М.Мониторинг точности позиционирования основных функциональных узлов технологических машин [Электронный ресурс] // Актуальные проблемы современного машиностроения: сборник трудов Международной научно-практической конференции, г. Юрга,

11–12 декабря 2014 г. – Томск, 2014. – С. 38–42. – URL: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/19015(accessed: 23.11.2017).



13. Development of deflection angle stabilizing system for balancing robot/ D. Fedorov, A. Ivoilov, V. Zhmud, V. Trubin // Journal of Advances in Management Sciences & Information Systems. – 2015. – N 1. – P. 65–82.



14. Использование измерительной системы MPU 6050 для определения угловых скоростей и линейных ускорений / Д.С. Федоров, А.Ю. Ивойлов, В.А. Жмудь, В.Г. Трубин // Автоматика и программная инженерия. – 2015. – № 1 (11). – С. 75–80.



15. Зайчиков А.Микроконтроллеры в управлении летательными аппаратами. Определение горизонта. Комплементарный фильтр [Электронный ресурс]. – URL: http://www.parkflyer.ru/ru/blogs/view_entry/1461/ (дата обращения: 23.11.2017).

Просмотров: 1203