引 言
移動式機器人在各行各業(yè)具有廣泛的應(yīng)用,，而輪式移動機器人由于具有結(jié)構(gòu)簡單,、可控性強、成本低等優(yōu)點,，成為移動式機器人研究的一個主要方向,。自平衡機器人采用水平布置的兩輪結(jié)構(gòu)，本身是一個不穩(wěn)定體,。也就是說,，自平衡機器人在靜止?fàn)顟B(tài)下，不能保持平衡,，車體總是要向前或向后傾倒,；而在運動狀態(tài)下，可以通過一定的控制策略使它達(dá)到動態(tài)平衡,。
由于自平衡機器人具有內(nèi)在不穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)靈活性,，國內(nèi)外機器人愛好者設(shè)計了多種結(jié)構(gòu)、外觀各異的自平衡機器人,，嘗試采用各種控制策略使其達(dá)到自平衡控制,。通常這類機器人采用姿態(tài)傳感器檢測機器人車體的傾倒角度和傾倒角速度，根據(jù)當(dāng)前機器人姿態(tài)控制伺服電機驅(qū)動電壓的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速,，從而使機器人保持平衡,。該方式制作的自平衡機器人雖然控制性能良好，但成本高,，不適合廣泛推廣,。本文設(shè)計的機器人嘗試采用紅外測距傳感器測量車體與地面的距離,，通過計算獲取機器人的姿態(tài)信息，進而實現(xiàn)機器人的自平衡,。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計的自平衡機器人系統(tǒng)主要由機械行走裝置,、控制系統(tǒng)和傳感器3部分組成，如圖1所示,。
機械行走裝置主要由車體平臺,、電機驅(qū)動器、直流無刷電機,、齒輪減速機構(gòu)和車輪組成,。機器人采用48 V電池供電，通過DC-DC模塊轉(zhuǎn)換為5 V和24 V電壓,。其中,，5 V提供給控制系統(tǒng)和傳感器，24 V提供給電機驅(qū)動器,?？刂葡到y(tǒng)以ATmega128單片機為主控制芯片，通過SJA1000擴展CAN總線與電機驅(qū)動器通信,。紅外測距傳感器的輸出是與距離成正比的模擬電壓值,，輸入到單片機的A／D采樣端口進行處理，從而得到距離信息,。機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。
2 姿態(tài)信息獲取
機器人的姿態(tài)信息包括傾倒的角度和角速度。如圖3所示,，機器人左右兩側(cè)水平位置各安裝有1個紅外測距傳感器,，可以測量與地面之間的距離d1和d2。當(dāng)機器人在豎直狀態(tài)時,，左右傳感器距離差為零,。當(dāng)機器人傾倒時，距離差與傾倒角度θ成函數(shù)關(guān)系如下：
sin θ=(d2-d1)／D
其中,，D為傳感器之間的距離,。機器人在豎直動態(tài)控制時傾倒角度范圍較小，此時sinθ≈θ,，即可由傳感器的距離信息得到機器人的傾倒角度,。角速度可以通過θ對時間求導(dǎo)獲得。
選用的紅外測距傳感器為Sharp公司的GP2D12,，輸出為0．4～2．4 V的模擬信號,，對應(yīng)的測量距離為10～80 cm。在同一溫度下，傳感器的輸出與測量結(jié)果呈良好的線性關(guān)系,，可以滿足自平衡機器人的要求,。
3 控制系統(tǒng)設(shè)計
3．1 機器人平衡控制原理
當(dāng)車體偏離平衡位置(豎直位置)向前傾斜時，傳感器采集信息并傳送到單片機進行計算和判斷,，車輪隨之作出響應(yīng)向前運動,，將車體向平衡位置調(diào)整；同樣當(dāng)車體向后傾斜時,，車輪將向后運動,。這樣機器人一直處在傾斜判斷、運動調(diào)整的動態(tài)過程中,，使車體始終保持在平衡位置附近，達(dá)到一種動態(tài)平衡,。
3．2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
控制系統(tǒng)主芯片選用Atmel公司基于RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機ATmega128,。它采用低功耗CMOS工藝；具有豐富的片上資源,，包括4個定時器,、4 KB的數(shù)據(jù)SRAM、128 KB的程序Flash,、可外擴至64 KB的E2PROM和8個10位ADC通道,；擁有UART、SPI,、I2C,、JTAG接口，方便外部擴展和傳感器的接入,。
3．2．1 傳感信息輸入電路
傳感器信號通過放大器引入,，通過設(shè)置反饋電阻(R1和R2)和輸出端電阻(R3和R4)的阻值可以使輸入的電壓值在要求的范圍內(nèi)。具體硬件電路如圖4所示,。
3．2．2 擴展CAN通信電路
單片機與電機控制器采用CAN總線通信,，CAN接口采用Philips公司的CAN物理層和鏈路層接口芯片SJA1000和PCA82C250。單片機直接控制SJA1000的AD0～AD7,、ALE,、INT引腳。SJA1000工作在Intel模式下,，MODE腳接高電平,，片選腳CS接地，始終處于選通狀態(tài),。擴展CAN通信電路如圖5所示,。單片機對SJA1000的操作主要是對寄存器的操作：一方面，對SJA1000的模式寄存器、命令寄存器,、狀態(tài)寄存器,、中斷寄存器、中斷允許寄存器,、總線定時寄存器,、輸出控制寄存器、時鐘分頻計數(shù)器進行設(shè)置和檢測,；另一方面,，對收發(fā)緩沖區(qū)進行讀寫，從而和CAN設(shè)備交換數(shù)據(jù),。
3．3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
自平衡機器人的控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下功能：傳感器信息處理和機器人姿態(tài)信息計算,，電機控制PID算法實現(xiàn)和CAN口的數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)控制流程如圖6所示,。系統(tǒng)上電后從主函數(shù)開始執(zhí)行,。主函數(shù)負(fù)責(zé)初始化控制器的I／O口、CAN口,、控制周期定時器,、A／D轉(zhuǎn)換器、各個中斷接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)模塊等,。初始化完畢,，控制周期定時器時間到后，傳感器信息輸入到A／D轉(zhuǎn)換器中進行轉(zhuǎn)換,，計算機器人的傾倒角度和傾倒角速度,；然后調(diào)用PID算法計算電機控制數(shù)據(jù)，并通過CAN口輸出給電機驅(qū)動器,。
3．4 速度PID控制算法
機器人采用經(jīng)典的PID算法進行平衡控制,。控制系統(tǒng)采用典型的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和前饋控制方法,。速度環(huán)路設(shè)計有利于提高電機輸出速度精度,。前饋控制主要是為了補償電機轉(zhuǎn)軸與車輪轉(zhuǎn)動軸以及傳動系統(tǒng)的間隙誤差，這些誤差是穩(wěn)定的,、可以測量的,。當(dāng)電機在正反轉(zhuǎn)變換時，控制系統(tǒng)可以檢測到變換方向,，經(jīng)過位置誤差環(huán)節(jié)調(diào)整后把確定的偏差補償量疊加到驅(qū)動器輸出端,。這樣電機轉(zhuǎn)動的角度在原理基礎(chǔ)上增加了補償量，機械誤差得以修正,。
采用PID控制算法公式如下：
其中,，u(k)為當(dāng)前調(diào)節(jié)器輸出量,；u(k-1)為上一次調(diào)節(jié)器輸出量；△u(k)為當(dāng)前控制增量,；e(k)為當(dāng)前控制誤差量,；Kp為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù),；Kd為微分系數(shù),。PID控制算法流程如圖7所示。圖中,，ε為調(diào)試過程中設(shè)定的誤差值,。
4 實 驗
利用該控制方法，對原理樣機進行了多次實驗,。實驗中,，在機器人正上方水平位置安裝陀螺儀，以采集機器人的傾倒角度數(shù)據(jù),。實際測量角度信息隨時間變化的曲線如圖8所示,。通過測得數(shù)據(jù)分析可以看到，機器人大致可以穩(wěn)定在0°附近,，最大偏差為±2°。
結(jié) 語
本文設(shè)計了以ATmage128單片機為控制核心,，采用紅外測距傳感器監(jiān)控的雙輪自平衡機器人,，并搭建實驗平臺進行了控制試驗。實驗結(jié)果表明,，該機器人可以通過有效的控制保持在豎直狀態(tài),，并且在一定的角度范圍內(nèi)達(dá)到平衡。