摘  要： 為了解決機械臂開環(huán)控制精度低的問題,，設計了一套基于STM32微控制器的機械臂反饋控制系統(tǒng),。通過QT圖形界面將控制數(shù)據(jù)輸入上位機，控制數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳輸?shù)轿⒖刂破骱篁?qū)動機械臂運動,；由加速度傳感器和磁通傳感器組成的慣性傳感器節(jié)點采集機械臂運動數(shù)據(jù)傳回微控制器,，采用由多個相關的參數(shù)可變PID控制器構成的控制器組對機械臂各個部位進行反饋控制。測試結(jié)果表明,，利用慣性傳感器實現(xiàn)的改進型PID的反饋控制系統(tǒng)比無反饋控制系統(tǒng)精度有較大提高,，可用于實現(xiàn)更高精度的機械臂控制。

　　關鍵詞： 機械臂,；改進型PID反饋控制,；慣性傳感器；嵌入式系統(tǒng)

0 引言

　　機械臂作為一種實用的機器人設備,，被廣泛地應用在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中,。周舟等人[1]控制機械臂進行番茄采摘，根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)節(jié)控制參數(shù),。李鯉[2]以鉆孔機械臂為研究對象,，著重對交流伺服電機的驅(qū)動進行了研究。劉洋等人[3]在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)了視覺伺服機械臂控制系統(tǒng)的實驗平臺,。以上這些系統(tǒng)采用的均是開環(huán)控制,，雖也能滿足特定的應用場合，但無法滿足高精度機械臂控制的需求,。

　　趙杰等人[4]設計了雙關節(jié)機械臂控制系統(tǒng),，利用光電編碼器實現(xiàn)了機械臂的閉環(huán)控制，但光電編碼器精度仍然較低,。因此,，本文設計了針對機械臂的改進型PID閉環(huán)控制系統(tǒng),，該系統(tǒng)利用慣性傳感器采集機械臂運動數(shù)據(jù)，在STM32平臺上實現(xiàn)機械臂的反饋控制,，旨在提高機械臂的控制精度以滿足精細化動作控制的需求,。

1 系統(tǒng)概述

　　系統(tǒng)硬件部分由STM32微控制器、三關節(jié)三自由度機械臂和慣性傳感器節(jié)點組成,。軟件部分包含QT圖形輸入界面,、舵機驅(qū)動、控制數(shù)據(jù)生成和反饋控制,。系統(tǒng)整體結(jié)構如圖1所示,，上位機通過QT圖形界面采集用戶輸入的機械臂控制數(shù)據(jù)后通過串口傳輸?shù)絊TM32微控制器，微控制器根據(jù)控制數(shù)據(jù)驅(qū)動機械臂運動并讀取慣性傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)進行反饋控制,。

　2 QT圖形輸入界面

　　為了實現(xiàn)良好的用戶體驗和方便遠程控制,，本文設計了相應的QT圖形界面。用戶通過上位機可以遠程控制機械臂并監(jiān)測其運行狀態(tài),，STM32微控制器和上位機之間通過RS232串口通信,。圖形界面由輸入?yún)^(qū)和狀態(tài)監(jiān)控區(qū)兩部分組成，如圖2所示,，用戶可以通過監(jiān)控區(qū)觀察本次動作的完成度以決定是否進行下一個動作,。

　　3 反饋數(shù)據(jù)生成

　　慣性傳感器模塊由加速度傳感器ADXL345和磁通傳感器HMC5883組成，將慣性傳感器模塊綁定在機械臂各個部位,，經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理[5]可分別采集傳感器坐標系下的重力加速度Gs和地磁通量?椎s,。記地理坐標系下的重力加速度和地磁通量分別為Ge和e，從傳感器坐標系變換到地理坐標系對應的旋轉(zhuǎn)矩陣為R,，其對應的四元數(shù)表示為Q=w+xi+yi+zk,。

　　根據(jù)梯度四元數(shù)按照一定的步長對狀態(tài)四元數(shù)進行修正，通過反復的迭代融合,，求得機械臂各個部位的姿態(tài)四元數(shù)[6],。將機械臂相鄰兩個部位的姿態(tài)四元數(shù)分別記為Qn和Qn-1，若其相對姿態(tài)四元數(shù)為,。將四元數(shù)轉(zhuǎn)化為歐拉角即為控制所需的反饋數(shù)據(jù),。

4 反饋控制

　　為了增強反饋控制的精度，減少抖動的產(chǎn)生,，使機械臂在短時間內(nèi)達到穩(wěn)定狀態(tài),，本系統(tǒng)采用使用簡單,、適應性和魯棒性均較強的PID控制器進行反饋控制,。但本文中機械臂一共包含三個關節(jié)，誤差會隨著機械臂關節(jié)延伸逐漸積累,。普通的PID控制器只能對手臂各個部位進行獨立控制,，不能充分利用機械臂各個部位之間的關系,，且控制器參數(shù)固定，控制過程所需的時間長,。因此,，本文在普通PID控制器的基礎上進行了改進，將機械臂各個部位獨立的PID控制器組合起來形成參數(shù)可變的PID系統(tǒng),，其控制流程如圖4所示,。

　　上臂PID控制器的差分方程為：

　　其中，u（k）為輸出量,，e（k）為第k次測量的誤差,，Kpu、Kiu和Kdu分別為上臂控制器的比例系數(shù),、積分項系數(shù)和微分項系數(shù),。

　　小臂PID控制器的參數(shù)為：

　　其中，Kif和Kdf分別為小臂控制器可變的積分項系數(shù)和微分項系數(shù),，Kif0和Kdu0為基礎值,，λ為比例系數(shù)，可通過實際測試進行調(diào)節(jié),。同理可得手掌處的PID控制器參數(shù),。

5 舵機驅(qū)動

　　本系統(tǒng)采用MG966R舵機驅(qū)動機械臂運動，其扭力大,、響應速度快并且可以使機械臂在靜止時仍然保持特定姿態(tài),。控制過程中可以通過調(diào)節(jié)周期為20 ms的PWM波的占空比直接控制機械臂姿態(tài),，且占空比與舵機轉(zhuǎn)角基本成線性關系,，避免了通過速度間接控制轉(zhuǎn)角過程中出現(xiàn)的延遲和精度低的問題。STM32F107微控制器包含PWM波產(chǎn)生模塊,，通過配置相應的定時器即可產(chǎn)生特定占空比的PWM波,。高級定時器還能產(chǎn)生多路適合電機控制的帶死區(qū)互補PWM波，通過單個定時器即可同時驅(qū)動多個舵機轉(zhuǎn)動不同的角度,，可以節(jié)省出硬件資源以便后期更多功能的開發(fā),。

6 測試結(jié)果

　　為了驗證利用慣性傳感器實現(xiàn)的PID反饋控制的效果，本文對有無反饋控制兩種情況下的機械臂控制效果分別進行了測試,，測試結(jié)果如表1所示,。其中A組為控制數(shù)據(jù)，B組為無反饋情況下的控制結(jié)果,，C組為有反饋情況下的控制結(jié)果,。從表1可看出，在第一次試驗中有反饋情況下的誤差反而較大,，通過分析發(fā)現(xiàn)是由于傳感器節(jié)點安裝位置離舵機過近而受到舵機磁場干擾造成的,。通過改變傳感器的安裝位置,，在后期的測試中得到了較為理想的效果。在第二和第三次試驗中,，無反饋情況下的平均誤差為5.66°,，而有反饋情況下的平均誤差僅為1.5°，控制精度提高了2~7倍,，可見改進型的PID反饋控制大大提高了機械臂的控制精度,。

7 結(jié)論

　　本文設計了一種基于STM32的機械臂反饋控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過上位機QT圖形界面遠程控制和顯示機械臂運動狀態(tài),，實現(xiàn)了友好的人機交互,。采用慣性傳感器采集機械臂運動數(shù)據(jù)，在STM32上實現(xiàn)對機械臂的改進型PID反饋控制,，測試結(jié)果表明,，利用慣性傳感器實現(xiàn)的改進型PID反饋控制較大地提高了機械臂控制的精度，為高精度的機械臂控制提供了一種新的方案,。

參考文獻

　　[1] 周舟,，王俊.采摘機器人機械臂的控制與聯(lián)合仿真[J].電子技術，2013（1）：60-62.

　　[2] 李鯉.基于ARM的機械臂控制系統(tǒng)分析[J].自動化與儀器儀表,，2012（2）：176-177.

　　[3] 劉洋,，方敏.基于LabVIEW的視覺伺服機械臂控制系統(tǒng)[J].微型機與應用，2012,，31（10）：25-27.

　　[4] 趙杰,，任思瓂，崔崇信.基于ARM的危險作業(yè)機器人機械臂控制系統(tǒng)設計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,，2012（3）：111-112.

　　[5] DONG W,， LIM K Y， GOH Y K,， et al. A low-cost motion tracker and its error analysis[C]. IEEE International Conference on Robotics and Automation,， Pasadena， 2008： 311-316.

　　[6] SABATINI A M. Quaternion based attitude estimation algorithm applied to signals from body-mounted gyroscopes[J]. Electronics Letters,， 2004,，40（10）：584-586.