兩輪自平衡機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

文/劉靜 肖家寶 王曉 錢雯

兩輪自平衡機器人的控制系統(tǒng)是實現(xiàn)兩輪自平衡機器人的移動過程中保持平衡的關(guān)鍵系統(tǒng)，也是兩輪自平衡機器人實現(xiàn)功能拓展與增加的基礎(chǔ)與前提。

1 兩輪自平衡機器人概述

兩輪自平衡機器人是移動式機器人的一個重要分支，在近些年來實現(xiàn)了快速的發(fā)展突破，由于其在控制性、生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性、功能拓展性等方面都較其他的輪式機器人有較為明顯的優(yōu)勢，因而一度成為輪式機器人控制研究領(lǐng)域的熱點研究論題。兩輪式自平衡機器人的物理結(jié)構(gòu)由兩個車輪與機器人機身組成，車輪一般是由直流輪式電機與加裝的功能及控制部件組成，機身多為連接兩個車輪的長方體結(jié)構(gòu)，機身下板固定安裝機器人的控制系統(tǒng)及電池等電路設(shè)備，上板一般可以安裝一些拓展性的功能模塊，在機器人的行走移動功能的基礎(chǔ)上再進(jìn)行一定的功能拓展，使其具有更加豐富的功能，以拓展兩輪自平衡機器人的適用范圍與實用性。兩輪自平衡機器人的雙輪結(jié)構(gòu)決定了其的不穩(wěn)定平衡性，在靜止?fàn)顟B(tài)下將自平衡機器人放置在水平的地面上，機器人機身將向前或向后傾倒，無法實現(xiàn)機身平面的平衡，因此必須要通過機器人的平衡控制系統(tǒng)對兩個車輪進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以實現(xiàn)機器人機身的平衡。

2 自平衡機器人的平衡控制機理

兩輪自平衡機器人的機身平衡控制系統(tǒng)多為以單片機為計算系統(tǒng)的集成電路控制系統(tǒng)，通過安裝在車輪位置的姿態(tài)傳感器測量機身的傾斜角度，然后通過控制電路內(nèi)核的單片機使用相應(yīng)的算法對控制車輪轉(zhuǎn)動的伺服電機輸出相應(yīng)的控制信號，進(jìn)而使輪式電機產(chǎn)生與之對應(yīng)的扭矩，從而實現(xiàn)機身的平衡。自平衡機器人在控制系統(tǒng)不工作的狀態(tài)下無法實現(xiàn)機身的平衡，因此機身會向前或向后傾倒，根據(jù)傾倒的方向與傾倒角度的大小判斷機身的位置狀態(tài)。當(dāng)控制系統(tǒng)通電工作時，可以根據(jù)機器人的運動狀態(tài)為其定義前進(jìn)、后退、靜止三個工作狀態(tài)，姿態(tài)傳感器將傾倒方向、傾倒角度等數(shù)據(jù)采集并發(fā)送至單片機后，再由單片機對車輪輸出控制信號，形成檢測——接收——計算處理——輸出控制信號的周期過程，而當(dāng)單片機對車輪輸出控制信號后，車輪與車身的位置與運動狀態(tài)也會發(fā)生相應(yīng)的改變，因此兩輪自平衡機器人的平衡控制是一個連續(xù)動態(tài)的檢測輸出控制過程。

3 控制系統(tǒng)主要硬件設(shè)計

3.1 單片機選用

目前我國用于實驗研發(fā)的自平衡車控制系統(tǒng)中多使用單片機作為核心計算系統(tǒng)，使用較多的有80C51系列單片機、STM32系列單片機、ARM單片機等。對于自平衡車的控制系統(tǒng)而言，單片機的構(gòu)架與計算速度是比較重要的參考指標(biāo)，同時單片機運行環(huán)境的穩(wěn)定性也對控制系統(tǒng)有著重要影響。對于大多數(shù)單片機為核心的控制系統(tǒng)，兩個車輪的群東都使用PWM輸出管腳進(jìn)行對輪式電機的控制，同時利用單片機內(nèi)置的定時模塊利用檢測模塊輸出脈沖信號，從而監(jiān)測機器人機身的傾角大小。

3.2 檢測模塊的設(shè)計

MPU-6000芯片是世界上第一例整合性6軸運動處理組件，在增加了內(nèi)部組件集成的同時，提高了陀螺儀與加速器的應(yīng)用效率與使用性能，縮小了芯片封裝的體積，增加了模擬量計算的準(zhǔn)確性，由于其出色的角速度感測范圍，MPU-6000芯片廣泛運用于智能手機和平板電腦的體感組件、姿勢感應(yīng)、運動感測游戲等場景。對于兩輪自平衡機器人的控制系統(tǒng)而言，使用MPU-6000芯片作為機身傾角的檢測組件可以有效提升角速度檢測的準(zhǔn)確性，為單片機輸入更為準(zhǔn)確的角速度型號，從而提升控制系統(tǒng)平衡控制性能。

3.3 通信模塊的設(shè)計

多數(shù)兩輪自平衡機器人的控制系統(tǒng)在實驗階段都會使用無線藍(lán)牙通信技術(shù)，SPP-C藍(lán)牙通信模塊在藍(lán)牙信號的輸出功率、模塊體積、運行穩(wěn)定性等方面都能夠有效滿足多數(shù)控制系統(tǒng)的通信要求。通過無線藍(lán)牙通信組件可以實現(xiàn)對自平衡機器人的遠(yuǎn)程控制，并且大大的增加了控制系統(tǒng)的兼容性，使控制方法及范圍拓展至大量的集成藍(lán)牙通信功能的移動終端設(shè)備。目前絕大多數(shù)的筆記本電腦、智能手機、平板電腦等移動終端都搭載有無線藍(lán)牙通信功能，通過藍(lán)牙模塊可以與單片機進(jìn)行無線通信，從而實現(xiàn)兩輪自平衡機器人的遠(yuǎn)程控制。

4 控制系統(tǒng)實現(xiàn)的注意事項

4.1 保證控制系統(tǒng)的接線質(zhì)量

兩輪自平衡機器人的控制系統(tǒng)是由多種功能模塊及電子元器件組合集成形成的電子控制系統(tǒng)，需要將復(fù)雜的芯片管腳、引線按照設(shè)計圖紙高質(zhì)量的連接才能保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)控制系統(tǒng)的控制效果。在兩輪自平衡機器人的控制階段，為了提高控制系統(tǒng)元器件更換的便利性，很多模塊與其他電子元器件的連接都是使用引線的連接方式，雖然這樣的方式能夠通過大量的組件使用實驗篩選出適合其設(shè)計的控制策略的功能模塊，有效的減少了實驗過程中更換組件的時間，提高了實驗的效率，但是通過引線連接也在一定程度上增加了控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。尤其是再機器人拓展功能較多時，過多的引線影響了出現(xiàn)故障時檢測故障的效率，同時由于控制系統(tǒng)內(nèi)部空間有限，引線連接也增加了接線難度，時常發(fā)生引線失誤短接造成元器件燒毀損壞的情況，如果短接發(fā)生在一些體積較小的元器件上，故障檢測工作會變得非常復(fù)雜且耗時長，大大影響了實驗的效率。因此，在兩輪自平衡機器人控制系統(tǒng)的實驗中，應(yīng)盡量提高控制系統(tǒng)接線的質(zhì)量，以提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高實驗效率，促進(jìn)控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。

4.2 優(yōu)化電源與電機驅(qū)動模塊

在兩輪自平衡機器人控制系統(tǒng)實現(xiàn)的實驗中，一般都需要進(jìn)行多次實驗才能優(yōu)選出較為有效的平衡策略。因此，多數(shù)平衡控制系統(tǒng)的研發(fā)實驗都將實驗重點放在控制系統(tǒng)檢測模塊、數(shù)據(jù)處理算法模型、控制信號輸出模塊等方面，而忽略了機器人電源系統(tǒng)和車輪電機驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)化。根據(jù)筆者的實驗經(jīng)驗，部分兩輪自平衡機器人控制系統(tǒng)策略設(shè)計的實現(xiàn)不是因為其控制策略設(shè)計不合理，而是其設(shè)計的控制系統(tǒng)未能得到輸出穩(wěn)定、功率滿足要求的電源支持系統(tǒng)，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的供電不足，各功能模塊之間的信號無法有效傳達(dá)或者傳達(dá)效率產(chǎn)生偏差，從而影響了控制信號輸出的準(zhǔn)確性。還有部分實驗失敗是因為電機的驅(qū)動模塊功率不足，當(dāng)機身傾角角度過大時無法為電機提供足夠大的扭矩，從而使機器人失去平衡。因此在實驗中，需要優(yōu)化機器人的電源與電機驅(qū)動模塊，在實驗條件允許的條件下盡量選擇性能超過實驗要求范圍的元器件，從而保證控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。

4.3 優(yōu)化軟件系統(tǒng)算法

軟件系統(tǒng)的角速度算法是兩輪自平衡機器人控制系統(tǒng)的核心部分，如果算法設(shè)計編寫不合理，即使檢測模塊的角速度數(shù)據(jù)收集再準(zhǔn)確也會影響控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。目前兩輪自平衡機器人的控制策略較為多樣，算法編寫方法也較為豐富，通過查閱相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)能夠較為容易的找到適用的算法。需要強調(diào)的是，不同的軟件算法是和具體的控制策略緊密結(jié)合的，因此在軟件算法的選擇時需要根據(jù)控制策略進(jìn)行針對性的優(yōu)化，從而提高單片機輸出信號的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

綜上所述，兩輪自平衡機器人由于出色的可控性、拓展性在近些年來實現(xiàn)了很大的發(fā)展，在控制系統(tǒng)方面的研究也越來越多。兩輪自平衡機器人的控制機理主要是通過伺服電機控制車輪的扭矩，從而實現(xiàn)控制系統(tǒng)工作時機器人機體的平衡。在兩輪自平衡機器人的控制系統(tǒng)中，單片機的選用、檢測模塊的設(shè)計、藍(lán)牙模塊的設(shè)計是三個較為重要的設(shè)計環(huán)節(jié)，在控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)過程中有必要在保證控制系統(tǒng)的接線質(zhì)量、優(yōu)化電源與電機驅(qū)動模塊、優(yōu)化軟件系統(tǒng)算法三個方面投入更多精力，以提升兩輪自平衡機器人的控制系統(tǒng)的控制有效性，保證控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。