RLS磁編碼器增強兩輪自（zì）平衡機器人小車的穩定性控製
2021-12-30 來源：雷尼紹 作（zuò）者：-
在設計兩輪自平衡機器人小車時，精確、快速地（dì）測量角度旋轉（zhuǎn）是一（yī）項關鍵要求。除此之外，零部件的重量（liàng）和尺寸（cùn）最小化也同樣重要。東京電機大（dà）學 (Tokyo Denki University, TDU) 工（gōng）學部的學生，利（lì）用雷尼紹（shào）關聯公司RLS的RM08磁旋轉編碼器解決了這個問題。
背景（jǐng）
東（dōng）京電機大學是一所致力於（yú）科學和技術（shù）教育的高校，於1907年由兩位年輕的工程師廣（guǎng）田精一（yī）和扇本真吉創立，其辦學宗旨是推（tuī）動工程學科教育，為國家經濟發展（zhǎn）奠定基石。
石川（chuān）淳先生在TDU的機器人與機電一體化學（xué）科任教，並且在機器人控製係統開發（fā）等多個技術領域（yù）開（kāi）展先（xiān）驅研究。石川淳先生向工學部的學生們提出一項考驗（yàn）：製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（cí）旋轉位置反（fǎn）饋編碼器。
挑戰
石川（chuān）淳先生對學生們提出的考驗是：如何解決經典的控製理論難題 — 倒立（lì）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（yǔ）懸（xuán）掛擺不（bú）同，懸掛擺會在移位後（hòu）自然恢複到穩定的平衡位置，而倒立擺具有（yǒu）內（nèi）在的不穩定（dìng）性。想（xiǎng）象一下，將台球杆或掃帚柄直立倒放在手（shǒu）掌上，如果不持續調整手的位置，它（tā）就會翻倒。
較短的倒立擺比較長的倒立擺加速遠離（lí）垂直位置的速度更快，因此需要更頻（pín）繁地調整位置，而（ér）且更難控製。比如，在手掌上保（bǎo）持（chí）鋼筆（bǐ）直（zhí）立比保持台球杆直立更難。
Segway所采用的一種解決方案是，將支點放在輪式平台上（shàng）。這種車輛從IMU（慣性測量單元（yuán））獲取（qǔ）慣性輸入。IMU包含兩個傳感器：加速度計和陀（tuó）螺儀。
在這（zhè）種情況下，垂直軸和水平軸上的加速度計均用於確定重力引起的角度（dù）加速度。通（tōng）過不斷（duàn）監（jiān）測擺錘的傾斜角和角速度，可使用PD（比例微（wēi）分）控製係統來驅動車輪向前或向後滾動，以（yǐ）此保持平（píng）衡。
學生們決定在他們自己設計的（de）控製係統中采（cǎi）用一種類似的方法，因此他們需要設（shè）計並集（jí）成一個（gè）高效的三件式解決方案，包括（kuò）傾（qīng）斜角度傳感、控製邏輯和電機驅動電路。對於為此控製應用設計的PCB（印刷電路板），尺寸小且重量輕是集成到車把內的（de）決定性要素。他們對PCB的結構進行了優化，以確（què）保在最小的封裝尺寸內集成所有必（bì）需的功能。
解決方案
將PCB控製板安（ān）裝在車（chē）把（bǎ）內，位於擺錘的頂部，承載所有必需的電（diàn）子電路，包括固態陀螺儀、微控製器、直流電機驅動器（qì）和電源管理組件。
輪式平台的底部有兩條軸：連接車輪的水平（píng）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（dān）的錐齒（chǐ）輪傳動裝置，電機通過此傳動裝置可朝任意方向驅（qū）動車輪。
係統必須將方向保持在近乎垂直的極小角度範（fàn）圍內，才能進行有效控製。如果小車（chē）朝（cháo）任一方向傾（qīng）斜超過30 °，則可能會失去穩定性。為保持平衡（héng），必須以經過精（jīng）密計（jì）算的加速度和速度連續驅動車輪。
為達到預期的運動控製性能，學生們需要一個高分辨率位置編碼器（qì）來監（jiān）控和調節電機輸出。而且，這個（gè）編碼器還必須小巧輕便，能夠容納在小（xiǎo）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（zhuǎn）編碼器（qì）。這款非接觸式、無摩擦磁旋轉編（biān）碼器僅重2 g（包括電（diàn）纜），具有鋁製傳感器外（wài）罩（zhào），直徑（jìng）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（zhī）間的機械連接，而這個設計隻增加了不到0.5 g的重量。RM08編碼器產生12位分辨率輸出（每轉4,096步），可用於（yú）運行速度高達30,000 rpm的應用（yòng），精度（dù）達到±0.3 °。
結果
東京（jīng）電機大學的學生們（men）設（shè）計出一個運動控製方案，使用（yòng）RM08高（gāo）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（xiǎo）車保持自（zì）平衡和直立（lì）。
RM08編碼器的防護（hù）等級達到IP68，專用於集成到各（gè）種大批量OEM應用中，性能非（fēi）常可靠。
還有一點也很重要，磁（cí）旋轉編碼（mǎ）器還解決了這輛小車苛刻的物理設計限製（zhì）。它（tā）的外形極為緊湊且輕巧，幫助學生們同時克服了空（kōng）間和負載限製。
這個項目的成功為學生們樹立（lì）了信心，激（jī）勵他們繼續探索更（gèng）多的高階機器人項目。
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