<p>注：*为必填项。</p> <p>【请在报名阶段填写 ↓】 <em>  简要介绍作品： _<em>【请在竞赛阶段填写 ↓】</em>  一、作品详情；_</em></p> <p>本作品主要应用于户外自动化测量、测绘、建模。它能在行进过程中，自主保持平台的稳定，从而保证有需要水平放置的仪器可以在行进过程中使用。大大提高效率。在自动控制原理中，反馈是贯穿始终最重要的事，引用好反馈能够让我们的设计在外部的扰动下依然能够有着较为理想的输出效果。于是我们的设计方案： 1）选用MPU6050六轴陀螺仪传感器为反馈的引入器件，采用STM32F103C8T6芯片作为主控，并使用20KG舵机作为输出，这样，就构成了最初的输入输出反馈调节系统。  2） 接下来又着手设计了机器人的本体部分。利用平面四杆机构的特性，我们设计了最为主要的调平机构——伸缩足。 3）再利用舵机的尺寸、标准件，设计出各个运动部件的结构。 4）考虑到行进过程中的测量测绘。我们还必须让平台可移动，于是我们加装四轮，采用差速转弯的方式。 5）在三维软件中设计出机器人的原型，运动仿真看是否通过。最终，设计效果图如下图三维模型所示。 对照三维模型，其工作过程是STM32读取MPU6050数据后处理得到平台的四元数（俯仰角、横滚角、方向角、加速度值）根据计算处理得到的数据，控制舵机（伸缩足的原动机）转动，使得伸缩足能够上下动。上下移动产生的反作用力，将促使机器人平台往相应的方向偏转角度。如需特定角度，则需要各足紧密配合，才能达到。为使得四轮贴合地面，并各足压力均衡，又需要引入压力传感器作为力反馈，再用STM32读取压力传感器数值，平衡计算后再控制舵机转动，达到压力平衡的目的。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/7QMZfKMpUe0Ig58dJvkd5spbJ6wsewmXeIBnY5K9.png" alt="image.png"><img src="//image.lceda.cn/pullimage/9JShzSmreTJEZOTvMLN1YJddjEYJjy3fTCKaAkyj.png" alt="image.png"><img src="//image.lceda.cn/pullimage/Mbw1hsl04ZWZarb2Pmt1BYJAfPTJlgtUVHbaXezL.png" alt="image.png"> <strong>1、</strong>结构设计**** 合理可行的结构是基础，升降装置有较多种选择，够满足快速的响应，并且结构简单、价格便宜的结构需要花费力气寻找、设计。本方案采用平面四杆机构，两两相平行并相等，这样在轮子下落过程中仍然保持竖直角度，并且相对位置变动较小。其角度与垂直下落距离成正弦曲线。故选取峰值左右较近距离，大约60°范围。 这种好处在于：1、其角度变化时，X的变动接近于一条直线，故仅用直线进行拟合即可（负反馈使得不必精确，但需要在大致范围内）。2、Y方向变化较小，可以忽略（负反馈使得不必精确）。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/3lvQ51dzGeekb6SO2hqQQFQU5HxIQEzJ0bpZnv9V.png" alt="image.png"></p> <p><strong><strong>2、软件设计</strong></strong> 首先，确定机器人本体的平面的姿态是所需引入、控制的物理量，姿态的获取是通过MPU6050的DMP数字融合处理器获取，这样的好处是利用MPU6050本身自带的高速数字处理器计算传感器的姿态，节约了MCU的运算资源，提高了系统的实时性。 得到传感器的输入数据后，进一步的滤波、处理，获得所需要的俯仰角、横滚角、航向角、与加速度值，此时，即可进行经典的PID算法的运算，将获取的数据首先与预期目标姿态做差，即可得到俯仰角的差值a,横滚角的差值b,航向角的差值c；先取a,b作为平衡算法的最重要的数值存储，分别乘以比例系数Kp,得到比例环，积分环是a,b的求和乘以Ki（PID经过离散处理），微分环是本次差值与上次差值的差乘以Kd，于是可以在两个自由度的方向建立PID闭环调节。但是，执行部件并不像云台的结构那样，每一个电机分管一个自由度，所以，四个足需配合协调算法，才能够调整单自由度、双自由度。     在实现上述算法后，其机器人的基本功能就已经可以实现，但是在该系统中，如何保证系统相应快速、却不发生震荡，需要合适的参数保证。     在上述系统中，即可实现机器人在复杂路面的平衡，但是，只有上述的算法，还是不够，因为四轮的受力大小分布不均，导致可能存在某一轮悬空，造成机器人的不稳定情况。鉴于这种情况，我们又引入了压力传感器作为输入，还是舵机作为输出，这样，再一次通过PID算法（细节同上，不再赘述），形成闭环调节。在实现了平衡的基础上，进一步调节舵机的角度，使得四轮压力均衡。 最后，辅以NRF2401 2.4G无线通讯，与遥控装置相连接，进行数据传送。如下图所示，实物机器人在路面不平的情况下，做到自主调整伸缩足的伸缩量，以达到平台的平衡。</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/PMPKka1sTMKUmZ9YuXmXIjy8vba1CoMnlCA0szQF.png" alt="image.png"></p> <p><strong><strong>创新点与关键技术</strong></strong> 1、为测量领域设计一种新型的测量工具，有利于大大提高测量过程的速度与精确度。 2、设计一款伸缩足轮式机器人，目前国内外暂无此类的设计。 3、将全方位平衡引入地面设备，实现主动减震、平衡、特殊角度等功能。 4、设计一种物理量融合的处理算法，多物理量同时作用于同一执行部件。 5、设计一种四足协调算法，能够协调各足伸缩量满足平衡算法要求。 6、为所需功能自主设计电路、自主设计机械零件。</p> <p><strong><strong>与国内外同类研究比较</strong></strong> 本机器人与四足机器人相比，轮式具有速度快的特点，但是其复杂路面通过性较之有较大差距。与普通轮式机器人相比，其通过性又优于普通四轮机器人，故在通过性层面，本机器人处于中等水平，后期改进后，有望上一个层次。与平衡类仪器设备相比较，例如云台，其控制算法较为简单，响应迅速，但由于其结构所限，无法做到大型化、专业化的平台，无法提供本机器人的优良通过性、大型化后的载物特性、自动的大范围内的无人测量等性能。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/XpDDrZixqjGqP3Pmbgn9HgleghQq6ALDotq1DPkS.png" alt="图片2.png"> 1）应用领域：户外自动化测量、测绘、建模。利用单片机对MPU6050的实时采样读取实时的姿态，并在PID的算法下实现自动调整其工作平面的水平。 2）技术性能指标：实时行进过程中受其外界路面的崎岖不平的干扰，其采样速度不得低于50Hz，瞬时响应延时应当控制在50ms以下，动态调整过程中最大过量误差控制在2°，过冲不大于1°。 3）作品创造性：该作品创造性的将姿态调整应用于地面设备，使得在测量过程中，不必再架设测量机架。 4）作用意义：在轮式机器人中引入自主避震与实时水平，使其更加适合自动化测量领域的应用。极大的提高测量的速度与质量。 5）推广应用前景：在野外作业广泛的路桥、地理勘测等领域具有广泛的应用前景。市场范围宽广，前景巨大。 <em>  二、描述作品所面临的挑战及所解决的问题； 性能要求方面，实时行进过程中受其外界路面的崎岖不平的干扰，其采样速度不得低于50Hz，瞬时响应延时应当控制在50ms以下，动态调整过程中最大过量误差控制在2°，过冲不大于1°。 其中动态调整因采用舵机控制速度较低，未能完成目标要求。因时间仓促，压力传感器没有实用，故而无法实现压力平衡。 </em>  三、描述作品硬件、软件部分涉及到的关键点； 将MPU6050姿态解算的数据拆分成俯仰角、横滚角、航向角三组数据。 利用分别控制的方法，将目标角度也拆分成如上三种，即可分别进行PID闭环调整。压力传感器是将各足压力平均值与各足比较，再根据各足已经伸缩的量进行目标计算。 <em>  四、作品材料清单； 舵机4个、MPU6050 1个、STM32F103C8T6 1个、OLED 1个、机械部件数个。 </em>  五、作品图片上传；（PCB上须有大赛logo标识并拍照上传，若无视为放弃参赛）<img src="//image.lceda.cn/pullimage/mvyCsFVFMSU69Id3TdWA63AhLncwjCZ9KPa8IlVq.png" alt="图片3.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/KdEzyQr7wZVlGPFwiAkS1W5TAr9QUil9aR6obwjb.png" alt="图片1.png"> *  <img src="//image.lceda.cn/pullimage/D47w48C09uXCo9z4mjSkhp3qdVo3ZJN9N7buXNhx.png" alt="image.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/ihwFhZ5ItfvgYQHaJ2TwHS5zT5Be2LukVQIHFprh.png" alt="image.png">六、演示您的作品T录制成视频上传；（视频内容须包含：作品 介绍；功能演示；性能测试；PCB上大赛logo标识特写镜头，若无视为放弃参赛）</p> <ul> <li>七~~~~、开源文档。C</li> </ul>