自平衡機器人的控制系統設計

引 言
移動(dòng)式機器人在各行各業(yè)具有廣泛的應用，而輪式移動(dòng)機器人由于具有結構簡(jiǎn)單、可控性強、成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為移動(dòng)式機器人研究的一個(gè)主要方向。自平衡機器人采用水平布置的兩輪結構，本身是一個(gè)不穩定體。也就是說(shuō)，自平衡機器人在靜止狀態(tài)下，不能保持平衡，車(chē)體總是要向前或向后傾倒；而在運動(dòng)狀態(tài)下，可以通過(guò)一定的控制策略使它達到動(dòng)態(tài)平衡。
由于自平衡機器人具有內在不穩定性和結構靈活性，國內外機器人愛(ài)好者設計了多種結構、外觀(guān)各異的自平衡機器人，嘗試采用各種控制策略使其達到自平衡控制。通常這類(lèi)機器人采用姿態(tài)傳感器檢測機器人車(chē)體的傾倒角度和傾倒角速度，根據當前機器人姿態(tài)控制伺服電機驅動(dòng)電壓的轉向和轉速，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。本文設計的機器人嘗試采用紅外測距傳感器測量車(chē)體與地面的距離，通過(guò)計算獲取機器人的姿態(tài)信息，進(jìn)而實(shí)現機器人的自平衡。

1 系統結構
本文設計的自平衡機器人系統主要由機械行走裝置、控制系統和傳感器3部分組成，如圖1所示。

機械行走裝置主要由車(chē)體平臺、電機驅動(dòng)器、直流無(wú)刷電機、齒輪減速機構和車(chē)輪組成。機器人采用48 V電池供電，通過(guò)DC-DC模塊轉換為5 V和24 V電壓。其中，5 V提供給控制系統和傳感器，24 V提供給電機驅動(dòng)器。控制系統以ATmega128單片機為主控制芯片，通過(guò)SJA1000擴展CAN總線(xiàn)與電機驅動(dòng)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(jìn)行處理，從而得到距離信息。機器人的系統結構框圖如圖2所示。