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在自平衡两轮机器人车辆的设计中,精确的高速角旋转测量是一个关键要求。此外,组件重量和尺寸的最小化也是同样重要的考虑因素。东京电机大学工程系的学生在雷尼绍的合作公司RLS的RM08旋转磁编码器中找到了答案。
背景
东京电机大学致力于科学和技术的教学,由两位年轻的工程师广田诚一和oggimoto新一于1907年建立。他们的成立宗旨是推动工程教育成为国家经济发展的基础。
石川俊(Jun Ishikawa)就职于该大学的机器人与机电一体化系,是包括机器人控制系统开发在内的多个技术领域的先驱研究人员。他向他的工程系学生提出挑战,要他们制造一辆两轮自动平衡的机器人汽车。在这个项目中,他的学生选择了来自雷尼绍合作公司RLS的RM08旋转磁位置反馈编码器。
挑战
石川要求他的大学生们解决一个经典的控制理论问题——倒立摆。在著名的赛格威个人运输车的基础上,倒立摆有它的质心位于轴心点以上。
与悬摆不同的是,悬摆位移后会自然地回到稳定的平衡位置,而倒立摆本质上是不稳定的。想象一下,把撞球杆或扫帚柄直立放在手掌上——如果不不断调整你的手的位置,它很可能会倒下来。一个较短的倒立摆比一个较长的倒立摆从垂直位置加速得更快,需要更频繁的位置调整,并提出了一个更具挑战性的控制问题——用手平衡一支笔比平衡一根球杆更难。
赛格威解决这个问题的方法之一是将枢轴点安装在轮式平台上。这种类型的飞行器从IMU(惯性测量单元)获取惯性输入,IMU包括两个传感器:一个加速度计和一个陀螺仪。
在这种情况下,垂直轴和水平轴加速度计都用于确定重力引起的角加速度。通过不断监测摆的倾斜角度和角速度,可以使用PD(比例导数)控制系统来驱动车轮向前或向后以保持平衡。
石川的学生在他们自己的控制系统中采用了类似的方法,他们需要设计和集成一个有效的三部分解决方案,包括倾斜角度传感、控制逻辑和电机驱动电路。在为这种控制应用设计pcb时,小尺寸和低重量对于集成在车把内至关重要。PCB架构已经过优化,以确保以最小的封装尺寸交付所有所需的功能。
解决方案
PCB控制板位于摆的顶部,在手柄内部,并携带所有所需的电子电路,包括固态陀螺仪、微控制器、直流电机驱动和电源管理组件。
在轮式平台的底部,有两个轴:一个连接轮子的水平轴和一个由紧凑型直流电机驱动的垂直轴。简单的锥齿轮传动在轴之间的交叉点,使电机驱动车轮在任何一个方向。
为了有效地控制,系统必须在一个几乎垂直的小角度范围内保持方向。如果车辆在任何一个方向上倾斜超过30度,就可能失去稳定性。为了保持平衡,车轮必须连续行驶,并仔细计算加速度和速度。
为了达到所需的运动控制性能水平,学生们需要一个高分辨率的位置编码器来监控和调节电机输出。它还必须足够小和轻,以适应车辆细长的垂直结构。
经过深思熟虑,雷尼绍的合作公司RLS推出了RM08旋转磁编码器。这种非接触、无摩擦的旋转磁编码器重量仅为2g,包括电缆在内,其特点是直径为8毫米、厚度仅为3毫米的铝制传感器外壳。
学生们设计了一个狭窄的尼龙衣领,作为电机轴和RM08编码器的磁驱动器之间的机械链接,这增加了不到0.5克的组装。RM08编码器产生12位分辨率输出(每转4,096步),适用于高达30,000 rpm的高速操作,并提供±0.3º的精度。
结果
通过使用RM08高速旋转磁编码器以12位分辨率测量角度旋转,东京电机大学的学生能够设计出一种能够自我平衡和保持直立的两轮机器人车辆的运动控制方案。
RM08编码器是ip68级,专为集成到广泛的高可靠性,大容量的OEM应用。
重要的是,旋转磁编码器还解决了车辆苛刻的物理设计限制。作为一个高度紧凑和轻量化的组件,它帮助学生克服了空间和承载的限制。
这个项目的成功给了学生们探索其他先进机器人项目的信心。
欲知详情,请浏览www.renishaw.com/denki
英国:
总部位于英国的雷尼绍是一家世界领先的工程技术公司,提供从喷气发动机和风力涡轮机制造到牙科和脑外科等各种应用的产品。它在37个国家拥有全资子公司,拥有4500多名员工。
纵观雷尼绍的历史,雷尼绍一直致力于研发,每年有13%至18%的销售额用于研发和工程。公司产品的大部分研发和制造都在英国进行。
公司的成功获得了众多国际奖项,包括18个表彰技术、出口和创新成就的女王奖。
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