自平衡機器人的控制系統設計

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，機器人左右兩側水平位置各安裝有1個(gè)紅外測距傳感器，可以測量與地面之間的距離d1和d2。當機器人在豎直狀態(tài)時(shí)，左右傳感器距離差為零。當機器人傾倒時(shí)，距離差與傾倒角度θ成函數關(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(dòng)態(tài)控制時(shí)傾倒角度范圍較小，此時(shí)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(guò)θ對時(shí)間求導獲得。
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果呈良好的線(xiàn)性關(guān)系，可以滿(mǎn)足自平衡機器人的要求。

3 控制系統設計
3．1 機器人平衡控制原理
當車(chē)體偏離平衡位置(豎直位置)向前傾斜時(shí)，傳感器采集信息并傳送到單片機進(jìn)行計算和判斷，車(chē)輪隨之作出響應向前運動(dòng)，將車(chē)體向平衡位置調整；同樣當車(chē)體向后傾斜時(shí)，車(chē)輪將向后運動(dòng)。這樣機器人一直處在傾斜判斷、運動(dòng)調整的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，使車(chē)體始終保持在平衡位置附近，達到一種動(dòng)態(tài)平衡。
3．2 控制系統硬件設計
控制系統主芯片選用Atmel公司基于RISC結構的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(gè)定時(shí)器、4 KB的數據SRAM、128 KB的程序Flash、可外擴至64 KB的E2PROM和8個(gè)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(guò)放大器引入，通過(guò)設置反饋電阻(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。具體硬件電路如圖4所示。