基于虚拟仪器的两轮平衡跟踪机器人设计
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中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ............................................................ 1
§1.1 虚拟仪器 ........................................................ 1
§1.1.1 虚拟仪器应用于自动控制领域 ..................................2
§1.1.2 虚拟仪器应用于运动控制 ......................................4
§1.1.3 虚拟仪器应用于图像处理 ......................................4
§1.2 两轮平衡视觉跟踪机器人 ..........................................5
§1.2.1 两轮平衡行走机构的优点及研究意义 ............................5
§1.2.2 两轮平衡行走机构的国内外研究现状 ............................6
§1.2.3 机器人的视觉跟踪 ............................................6
§1.3 控制理论概况 ....................................................7
§1.3.1 古典控制理论 ................................................ 7
§1.3.2 现代控制理论 ................................................ 8
§1.3.3 智能控制理论 ............................................... 10
§1.4 本文的研究内容与结构安排 .......................................11
§1.4.1 研究内容 ................................................... 11
§1.4.2 结构安排 ................................................... 12
第二章 机器人基本功能设计方案 ......................................... 13
§2.1 总体方案 .......................................................13
§2.1.1 机器人部分 ................................................. 13
§2.1.2 上位机部分 ................................................. 14
§2.2 结构方案 .......................................................14
§2.2.1 机械零件 ................................................... 14
§2.2.2 机器人供电装置 ............................................. 15
§2.2.3 其他装置 ................................................... 16
§2.3 NI 相关硬件控制技术 ............................................ 19
§2.3.1 实时系统 ...................................................19
§2.3.2 运动控制 ...................................................20
§2.3.3 图像处理 ...................................................22
§2.4 NI 相关软件控制系统 ............................................ 22
§2.4.1 NI Real Time Module 实时控制模块 ........................... 22
§2.4.2 运动控制系统（Motion） .....................................24
第三章 目标检测及视觉跟踪 ............................................. 25
§3.1 图像处理简介 ................................................... 25
§3.1.1 一些基本术语及解释 .........................................25
§3.1.2 NI 的视觉处理软件简介 ...................................... 27
§3.2 图像产生 ....................................................... 27
§3.2.1 采集设备 ...................................................27
§3.2.2 图像传输 ...................................................29
§3.2.2 图像采集 ...................................................30
§3.3 本次设计中使用的相关图像处理 ................................... 31
§3.3.1 颜色模型 ................................................... 31
3.3.2 阈值分割（Thresholding） ..................................... 34
3.3.3 二值图像处理——图像形态学 ................................... 35
3.3.4 图像分析 ..................................................... 39
3.4 程序实现 ......................................................... 41
第四章 系统建模分析及控制器设计 ..................................... 44
§4.1 近似模型—倒立摆系统 ........................................... 44
§4.1.1 一阶倒立摆系统简介 ......................................... 44
§4.1.2 一阶倒立摆系统数学建模 ..................................... 45
§4.2 系统分析 .......................................................48
§4.2.1 NI 的系统分析与控制器设计软件 .............................. 48
§4.2.2 倒立摆系统线性分析 ......................................... 49
§4.2.3 系统非线性分析 .............................................51
§4.3 LQ 控制器设计 ................................................. 53
§4.3.1 I 型伺服系统理论 ........................................... 54
§4.3.2 NI 的相关伺服系统设计 ...................................... 56
§4.3.3 系统设计程序及时域分析 .....................................58
第五章 基于虚拟仪器的系统仿真 ....................................... 61
§5.1 NI SIMULATION MODULE 仿真软件 ................................... 62
§5.1.1 NI 仿真模块简介 ............................................ 62
§5.1.2 NI 使用的各种系统模型 ...................................... 65
§5.1.3 常微分方程求解器 ........................................... 66
§5.2 倒立摆系统仿真 ................................................. 67
§5.2.1 倒立摆非线性系统数学模型建立 ............................... 68
§5.2.2 I 型伺服系统仿真 ........................................... 70
第六章 实验验证及结论 ................................................. 73
§6.1 倒立摆系统验证 .................................................73
§6.1.1 系统底层硬件平台 ...........................................74
§6.1.2 系统控制平台 ...............................................74
§6.2 机器人平衡控制方案 .............................................76
§6.3 本文总结 .......................................................77
参考文献 .............................................................. 79
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ........................ 81
致 谢 ................................................................. 82
第一章 绪论
1
第一章 绪论
两轮平衡视觉跟踪机器人是基于移动式倒立摆原理，可以两轮平衡行走，同时能跟踪
特征物体运动的一种服务型机器人。整个系统主要可以完成两方面的功能：一、平衡行走。
二、跟踪特征物体。其中行走方面的控制采用自动控制原理，而跟踪功能则通过图像处理
来实现。所有功能的实现都是基于虚拟仪器技术：涵盖运动控制、图像处理、数据采集、
控制系统建模、设计、仿真以及最终实时控制原型实现。
§1.1 虚拟仪器
在过去的 20 年里，PC 机应用的迅速普及促进了测试测量和自动化仪器系统的革新，
其中最为显著的就是虚拟仪器概念的出现和发展，以及虚拟仪器为工程师和科学家们提高
生产率、测量精度及系统性能方面做出的贡献。尤其是近几年来，硬件水平发展迅速，其
中尤以计算机微处理器的发展为代表，各种新型的体积小、功能强的硬件设备应运而生，
与之相匹配的其它测量控制用的硬件也发展迅速，高精度、高采样率的各式 A/D,D /A 板
卡大大简化了计算机测量控制系统的开发研制。
在虚拟仪器硬件快速发展的同时，相关的测控软件也发展迅速。目前，在系统开发平
基于虚拟仪器的两轮平衡视觉跟踪机器人设计
2
台方面，美国 NI 公司的 LabView 和Labwindows/CVI，AGILENT 公司的 HP -VEE 以及
HEM Data 公司的 Snap-Master 等都是很好的工具。其中 LabView 功能最强，应用最为广
泛，如图 1-1 所示。LabView 是美国国家仪器公司 (National Instruments)推出的图形化虚
拟仪器开发平台。它强大而易于实现的数据采集功能、丰富的数值分析和信号处理函数、
设备驱动以及程序调试功能，加上框图式的程序编写过程与人的思维过程非常接近，所以
被誉为“工程师和科学家的语言”。
虚拟仪器技术就是以计算机软、硬件技术为核心，以自动控制技术、传感器技术、现
代信号处理技术、现代网络技术、数值分析方法技术为支撑，以各专业学科为应用背景的
现代测试技术。
它是利用高性能的模块化集成概念和方法，结合软件设计平台高效、简便的程序编译
功能，创建依据用户各类特殊需求的人机对话界面，全面实现，并取代各类特殊、昂贵测
试仪器。特别是它在实验室测试内容与数据处理在线实现的功能是目前其它现代测试技术
无可替代的，已成为目前国内外著名实验室实验研究的重要支撑。对该项技术的掌握要求
已在美国一些著名大学的学位课程中体现。
§1.1.1 虚拟仪器应用于自动控制领域
随着虚拟仪器产品种类的拓展及功能的加强，虚拟仪器已逐渐走出测试领域，在另外
一些相关领域大显身手，尤其在控制领域，虚拟仪器正得到越来越多的重视和应用。NI
专门提供了控制与仿真平台，在 LabView
基础软件平台上，针对控制系统设计、实
施的不同阶段，开发了一系列的附加软件
[1]，如右图 1-2 所示，为 NI 公司提供的自
动控制相关软件：比如在系统设计建模阶
段 的 LabView System Identification
Toolkit、LabView MATLAB Script 等软件
用于系统控制对象的辨识与文本建模，在
系统控制器设计阶段 NI 拥有 LabView
Control Design Toolkit 、LabView PID
Toolkit 等软件，用于在拥有被控对象模型
基础上控制器设计，以及在没有被控对象
模型前提下设计 PID、模糊控制器。在系
统 仿 真 阶 段 ， 使 用 NI 的LabView
Simulation Module、
LabView Simulation Interface Toolkit 等软件，分别用于对采用 NI 平台
建立的控制模型仿真以及采用 MATLAB®Simulink®建立的控制对象进行仿真。在控制器
验证阶段，可以使用 NI 提供的 LabView Real-Time Module 模块来进行快速控制原型的下
第一章 绪论
3
载，使用 LabView 实时硬件系统验证控制器的有效性。
1．系统辨识与控制器设计（system identification and control design）
使用 LabView System Identification Toolkit，可以通过测
量被控对象的真实输入输出数据来得到被控对象的精确动
态数学模型，然后在被辨识出模型的基础上，可以使用
LabView Control Design Toolkit 来分析设计一个稳定的控制
器。当然也可以使用 NI 提供的 LabView State Diagram Toolkit
来应付混杂的动态系统。如左图 1-3 所示：显示了采用
LabView Control Design Toolkit 设计的二阶系统根轨迹图及
乃奎斯特图，同时伴有阶跃时域响应[1]。
2．动态系统仿真（Dynamic System Simulation）
NI LabView Simulation Module 将动态系统仿真与 LabView 软件平台进行集成。如图
1-4 所示，可在 Simulation Loop 结点内建立线
性、非线性、离散或连续的控制系统。使用
从积分器、微分器到传递函数等工具来创建
控制系统模型，然后加入图形和控件对这些
模型进行测试。另外，还可导入 NI LabView
Control Design Toolkit 或NI LabView System
Identification Toolkit 开发的模型进行仿真。交
互式的 LabView 工具可在分析仿真结果的同
时对参数进行修改。通过 Simulation 创建的
控制模型可无缝下载至目标硬件上，用于控制原型设计和 HIL(hardware-in-the-loop)硬件
在环仿真。通过内置程序将 MathWorks, Inc. Simulink®中的模型转化为 LabView 的模型。
集成各种解算器，模拟线性、非线性和离散系统。集成 NI LabView Real-Time Module 模
块，将动态系统部署到实时硬件上[1]。
3．实时控制系统实现（Real-Time Implementation）
NI 强大的软硬件集成非常适合控制系统
实现，通过使用 LabView Real-Time Module，
可以轻松实现控制器的快速原型（Rapid
control prototyping）以及被控对象的硬件在环
验证（Hardware-in-the-loop testing），或者最终
建立 LabView 实时控制器。采用实时模块可以
把 使 用 Simulation Module 与State Diagram
Toolkit 建立的用户算法下载到 NI 的实时控制
硬件中去。如果要使用通用控制算法（比如
基于虚拟仪器的两轮平衡视觉跟踪机器人设计
4
PID 控制算法），也可以使用 NI 提供的 LabView PID Control Toolkit 来实现，PID 算法同
样也可以被下载到 NI 的实时控制器中。更值得一提的是，LabView Simulation Interface
Toolkit 可以轻松把由 simulink 建立的控制模型实现到 NI 实时控制器硬件中。如图 1-5 所
示便是采用 LabView Simulation Interface Toolkit，使 Simulink 建立的数学模型在 LabView
环境下运行[1]。
§1.1.2 虚拟仪器应用于运动控制
NI Motion 提供了广泛的软硬件系统，用于特定的运动控制，支持各种步进、伺服、
压电驱动器，配合高级的数据采集 DAQ、图像处理系统以及方便的应用软件，可以轻松
的搭建任意复杂的运动控制系统。硬件的选择范围十分广泛：从传统的 PXI/PCI 运动控制
卡，到基于 CAN 总 线 与 1394 接口的分布式控制器，再到最新的 CompactRIO 、
CompactFeildPoint 等等，有着不同种类的伺服与步进驱动控制器。下图 1-6 采用 NI 的运
动控制板卡（73xx 系列），控制步进与伺服电机示意图[1]。
NI 公司提供了 Motion control 软件可以方便的创建基于 NI LabView、C、VisualBasic
不同程序语言的运动控制代码。同时 NI 的Motion assistant 软件可以为运动实例建立原型，
不用编写运动控制代码就可以验证运行效
果，并且可以自动生成基于 NI LabView 与C
语言代码。使用 NI 的SoftMotion Development
Module for LabView 可 以驱动 CAN 总线及
1394 串行火线连接 NI 的SoftMotion
Controller 与各种智能驱动器[1]。
§1.1.3 虚拟仪器应用于图像处理
NI 公司是机器视觉领域相关产品供应商
中的佼佼者。从自动流水线零件检测到高级
机器视觉的研制，科学家与工程师使用 NI 的
软硬件高速、低耗的完成了很多相关领域的
应用。其相关产品如右图 1-7 所示：
1．视觉软件
第一章 绪论
5
采用 NI 的视觉软件可以在没有太多图像处理经验的情况下容易的开发图像应用。如
应用 NI Vision Builder AI 软件可以不需要编写 LabView 程序，通过类似流水线式的图像
处理步骤，完成工业检测应用，如果要进行复杂的图像功能开发，需要开发者使用
LabView，C/C++或.NET 程序，配合使用 NI 提供的 Vision Development Module 开发环境，
灵活的开发应用程序，该模块包括 NI Vision Assistant 和上百个机器视觉与图像处理函数。
NI Vision Acquisition 软件集成在上两个图像软件之中可以轻松配置使用 NI 的图像采集硬
件[1]。
2．视觉硬件
NI 公司的图像采集硬件可以提供高性能的采集功能，包括高速 DMA 传输技术，实
时控制系统集成，和同时支持各种各样的第三方摄像头[1]。
§1.2 两轮平衡视觉跟踪机器人
两轮平衡视觉跟踪机器人是可以两轮平
衡行走，同时又可以跟踪特征物体运动的一
种服务型机器人。如右图 1-8 所示，为机器人
完成其基本的图像跟踪功能的示意图，顶端
摄像头可以跟踪前方的红色球体，使得摄像
头一直正对着目标物体。并且以此控制机器
人的转向，使得机器人可以跟随小球行走。
§1.2.1 两轮平衡行走机构的优点及研究意
义
1．可以实现零半径转弯，具有很强的灵活性，由于只有两个轮子，因而结构齿轮可
以做的很小，转弯时占用的空间也相对较小，这一特点使它适用在狭窄和移动中需要经常
转弯的空间，如工厂、仓库、实验室、家庭等[2,3]。
2．三轮或四轮车辆在爬坡时重心会发生倾倒因而对坡度有限制，平行双轮沉在爬坡
时上体姿态和走平路时一样，重心不发生倾斜，所以，理论上讲双轮车对所爬坡的坡度没
有限制，两轮行走机构行走过程中的平衡控制技术主要可以应用在以下领域：
（1）交通工具，如：单人平行双轮电动车，这种车可作为短途代步工具，可用于狭
窄拥挤区域的紧急求助、邮件派送、通勤工具、特定区域的交通工具等。
（2）机器人的行走系统，如：两轮行走机器人，两轮足爬楼梯机器人等。
研究两轮行走机构行走过程中的平衡控制具有如下理论意义：
1．像传统的倒立摆一样，平行双轮结构本身是一个自然不稳定体，必须采用特别的
控制手段才能使之在行走时保持平衡和稳定。作为一个被控对象，它是一个高阶次、不稳
定、多变量、非线性、强耦合系统。其控制方法研究的本身就具有重要的理论价值。
（2）这种结构的行为与空间飞行器、两足机器人、火箭发射中的垂直度控制、卫星
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6
飞行中的姿态控制有很大的相似性，前者的姿态控制方法研究可以为后者的控制方法提供
参考。
§1.2.2 两轮平衡行走机构的国内外研究现状
移动式倒立摆最早的相关研究 1987 年，由东京电信大学自
动化系的山藤一雄教授提出类似的设计思想，并在 1996 年日本
通过了相似的专利申请[4]。该机器人外形如图 1-9，它有两个轮
子但没有可安装机器人上体的平衡台，控制电路和驱动电机安
装在上部。利用安装在轮轴上的杠杆式传感器来检测机器人的
倾斜度，由于受当时计算机、传感器
技术限制，该项技术的前景和实用性
并不明朗，所以其研究并没有受到太
多人的重视 。1995 年美国著名发明家 DeanKamen 开始秘密研制
segway，直到 2001 年12 月这项属高度机密的新发明才被公布出
来。该项技术成为全球机器人控制技术热点之一[5]，如图 1-10，
Segway 靠改变驾驶者重心使车辆产生启动，加速，减速，停止
等常规行驶动作，它的出现在全世界引起了极大轰动，充分展示
了平行两轮行走的灵活性和实用性。
2003 年3月正式在美国市场
上市。
2002 年瑞士联邦工学院的 D'Ar rigoA，等人也研制了类似
于segway 的一种无线控制的两轮式倒立摆并具有行走功能，
如图 1-11 所示。2002 年10 月台湾经济部工业局大量搜集
segway 相关资料:提供给国内厂商参考，并鼓励厂商利用政府
科研专项基金开发类似产品。日本三洋电机开发出两轮行走机
器人“FLATHRU”，并在 2002 年6月举行的“机器人世界杯
2002 福冈·釜山”上做了展出，FLATHRU 的头部兼作载物平
台，并位于圆筒状身体上部，底部左右各设计有一个轮子。在
行走过程中，即使遇到凹凸不平的路面或上、下坡，也能保持
载物平台的水平姿态，该载物平台可以用来运放物品，如水杯
等，作为服务性机器人可为人类提供生活辅助服务[6]。
§1.2.3 机器人的视觉跟踪
对平衡机器人加入视觉跟踪能，是希望机器人可拥有类似于汽车自动驾驶的功能，使
机器人具有一定的智能性。两轮平衡机构只是一套机器人的行走装置，本身不具备任何实
用性能，配合机器视觉，平衡行走机构才有可能被称为“人”，才可以像人一样提供服务。
第一章 绪论
7
比如可以作为监控机器人使用，实现对远处物体拍照、录像等基础视觉功能，使操控者远
离危险环境进行实地拍摄。与此同时，加入了视觉跟踪功能，希望使机器人能够锁定特定
目标，进行连续实地拍摄。本次设计只是在这方面进行了比较基础而有益的尝试，由于时
间有限，希望在此基础上可以加入更加智能的优秀算法，比如模式识别，对人脸或生物进
行识别等。拥有这些功能，这台机器人才可以在类似于安检、海关等公共场所执行安全任
务。
§1.3 控制理论概况
自动控制系统是指：控制系统在不需要人的直接参与下，控制被控对象的某些物理量
按照指定的规律变化，自动控制理论自创建立至今已经经过了三代的发展：第一代是 20
世纪初开始形成并与 50 年代趋于成熟的以反馈和传递函数为基础的古典控制理论；第二
代是 50~60 年代发展起来的，以状态空间分析为基础的现代控制理论；第三代是 60 年代
中期已萌芽，在发展过程中综合了人工智能、自动控制、运筹学、信息论等多学科的成果
并在此基础上形成的智能控制理论[7, 8]。
§1.3.1 古典控制理论
古典控制理论的设计核心是频率响应法和根轨迹法。它主要研究的是连续线性定常系
统，即各组成环节的特性可以用线性常系数微分方程描述。古典控制理论以传递函数为基
础，采用的是频域分析方法。传递函数描述了系统的输入、输出关系，但不能充分描述系
统的内部状态。由于受传递函数和频域法的限制，古典控制理论主要用于解决“单输入—
单输出”线性定常系统的控制问题，而不适合解决“多输入—多输出”系统，特别是非线
性、时变系统的控制问题。典型的古典控制理论包括 PID 控制、解耦控制等[9, 10, 11, 12]。
上图 1-12 表示了一种被控对象的 PID 调节的动态结构框图。在 PID 调节作用下，对
误差信号 e (t)分别进行比例、微分、积分运算，三个作用分量之和作为控制信号输入给被
控制对象。图中信号为其对应量的拉氏变换。
PI D 调节器的微分方程数学模型为：
式中：u(t)为PID 调节器的输出信号，这个信号就是用来控制被控对象的；系统误差
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摘要：
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目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论............................................................1§1.1虚拟仪器........................................................1§1.1.1虚拟仪器应用于自动控制领域..................................2§1.1.2虚拟仪器应用于运动控制......................................4§1.1.3虚拟仪器应用于图像处理...............................
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2025-01-09 21
作者：陈辉
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：82 页
大小：2.63MB
格式：PDF
时间：2024-11-19
