闡述了一種自平衡機(jī)器人的構(gòu)成、控制系統(tǒng)的工作原理、硬件電路和控制算法。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由機(jī)械行走裝置、控制系統(tǒng)和傳感器三大部分組成，機(jī)械行走裝置主要由車體平臺、小型直流電機(jī)和左、右車輪組成。控制系統(tǒng)以C80511310單片機(jī)為核心，由電池模塊、電機(jī)驅(qū)動芯片及外圍電路組成。車體平臺位姿的監(jiān)測采用傾角傳感器。通過對實(shí)物進(jìn)行控制試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的合理性和有效性。

1 前言

機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它的制作涉及到計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等眾多學(xué)科的知識，是機(jī)電一體化專業(yè)學(xué)生開展綜合知識訓(xùn)練的最佳平臺。通過開展機(jī)器人的制作活動，能夠全面培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)造能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和進(jìn)取精神。機(jī)器人制作比賽作為一種創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略性手段已經(jīng)逐漸被教育界的人們所認(rèn)識。

自平衡機(jī)器人不同于一般車輪型機(jī)器人，其兩個車輪采用左右平行布置的結(jié)構(gòu)，所以本身是一個自然不穩(wěn)定體。也就是說自平衡機(jī)器人在靜止?fàn)顟B(tài)下，不能保持豎立在垂直平衡位置，車體總是要向前或向后傾倒。但在運(yùn)動狀態(tài)下，可以通過一定的控制策略來使它達(dá)到動態(tài)平衡。最近幾年，由于自平衡機(jī)器人內(nèi)在的不穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)靈活性的特點(diǎn)，吸引了世界上許多機(jī)器人愛好者的興趣，制作了多種結(jié)構(gòu)外觀各異的自平衡機(jī)器人，嘗試各種控制策略使其達(dá)到自平衡控制。通常這類機(jī)器人采用傾角傳感器、角速度（或加速度）傳感器組成姿態(tài)傳感器來檢測車體平臺的傾斜角度和傾倒速率，根據(jù)當(dāng)前車體平臺的姿態(tài)，對直流伺服電機(jī)的驅(qū)動電壓的大小和方向?qū)嵤┛刂疲瑥亩管圀w保持平衡。該方式制作的自平衡機(jī)器人雖然控制性能良好，但成本昂貴，不適宜大學(xué)生自己開展課外制作。本文嘗試用價格低廉的普通小型直流電機(jī)作為行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動器，僅采用傾角傳感器來檢測車體的狀態(tài)，輔助一部分低成本的電子元器件，構(gòu)成小型自平衡機(jī)器人。文中敘述了該機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件電路和控制算法。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

制作的自平衡機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由機(jī)械行走裝置、控制系統(tǒng)和傳感器三大部分組成，其外觀和系統(tǒng)構(gòu)成原理圖分別如圖1和圖2所示。 機(jī)械行走裝置主要由車體平臺、小型直流電機(jī)和左、右車輪組成。控制系統(tǒng)以C8051P310單片機(jī)為控制核心，由電池模塊、電機(jī)驅(qū)動芯片及外圍電路組成。其中電池模塊分為兩個模塊：模塊1提供8V和5V的電壓，分別為傳感器和單片機(jī)供電。模塊2采用可充電電池單獨(dú)為兩個直流電機(jī)提供6V的直流電壓，使硬件電路電源與電機(jī)電源隔離。這樣不僅滿足了電機(jī)對大電流的要求，而且排除了電機(jī)電壓波動對硬件電路供電穩(wěn)定性的影響。傳感器為固體傾角傳感器，用來檢測車體平臺相對地面傾斜的角度。

整機(jī)平衡控制原理為：當(dāng)車體偏離平衡位置（垂直位置）向前傾斜時，傳感器采集信號傳送到單片機(jī)進(jìn)行判斷，車輪隨之做出響應(yīng)向前運(yùn)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(yùn)動。這樣機(jī)器人一直處在傾斜判斷、運(yùn)動調(diào)整的動態(tài)過程中，使車體始終保持在乎衡位置附近，達(dá)到一種動態(tài)平衡。

3 控制系統(tǒng)及傾角傳感器

控制系統(tǒng)以C80511310單片機(jī)為控制核心，根據(jù)傾角傳感器檢測到的車體傾角的大小和方向，按照一定的控制策略做出判斷，輸出電機(jī)控制信號，驅(qū)動直流電機(jī)運(yùn)動，及時調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，從而保持動態(tài)平衡。

3.1 C8051F310單片機(jī)

C8051F310單片機(jī)具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核，是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)（SOC）。它的內(nèi)核采用流水線指令結(jié)構(gòu)，70％指令的執(zhí)行時間為1個或2個時鐘周期，當(dāng)時鐘頻率為25MHz時，速度可達(dá)到25MIPS，遠(yuǎn)高于同類型的其它單片機(jī)。在芯片內(nèi)部集成了構(gòu)成1個單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所以模擬和數(shù)字外設(shè)，主要包括：1個多通道ADC子系統(tǒng)、4個通用的16位定時器、4個8位的通用I/O端口、可編程交叉開關(guān)和16KB的Flash程序存儲器等。此外，在C8051F310單片機(jī)的編譯環(huán)境下，可以非常方便地進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和在線調(diào)試，為平衡機(jī)器人初始平衡位置的確定提供了便捷的條件?；贑80511310控制器I/O口資源分配如圖3所示。

3.2 傾角傳感器

選用的傾角傳感器型號為UCB-1，有PWM和模擬電壓兩種輸出形式，其測量范圍是±40℃。由于采用無觸電結(jié)構(gòu)，體積小，壽命長，可靠性高，特別適用于頻繁運(yùn)動的場合，并且在同一溫度下，傳感器的輸出與輸入呈良好的線性關(guān)系。傾角傳感器垂直安裝在自平衡機(jī)器人的車體支撐板上，用于精確測量車體偏離平衡位置的角度，傾角傳感器的輸出電壓范圍是2.5～4.5V，經(jīng)過信號調(diào)理電路后限制穩(wěn)定在1.5～2.7V傳送至單片機(jī)。實(shí)踐證明，它可以提供精確的角度值，滿足自平衡機(jī)器人的要求。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個系統(tǒng)的軟件可以分為外設(shè)初始化模塊、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊、信號采集模塊、數(shù)字濾波和標(biāo)度變換模塊、控制模塊五部分，軟件流程圖如圖4所示。參數(shù)設(shè)置功能模塊主要完成控制參數(shù)設(shè)置。數(shù)字濾波和標(biāo)度變換模塊完成輸入信號的加權(quán)平均濾波和標(biāo)度變換。

單片機(jī)初始化完成后，發(fā)出指令采集傾角傳感器信號，經(jīng)過濾波和標(biāo)度變換后，將轉(zhuǎn)換后的電壓值送人控制模塊進(jìn)行比較判斷，比較時參照預(yù)先設(shè)定的平衡位置的電壓范圍，電壓值若處于平衡范圍內(nèi)，單片機(jī)發(fā)出指令保持原平衡狀態(tài)；如果超出這個范圍，判斷傾角的方向，發(fā)出指令驅(qū)動電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，向平衡范圍調(diào)整。整個系統(tǒng)不停地采集、比較判斷、調(diào)整，最終使系統(tǒng)始終保持在平衡范圍內(nèi)。所有程序均采用Keil C51編寫，各模塊具有很好的獨(dú)立性和可讀性。

5 結(jié)論

本文利用價廉的元器件，以C8051F310單片機(jī)為控制器核心，制作出了低成本的自平衡機(jī)器人。通過對實(shí)物的控制試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以有效地控制在零點(diǎn)位置，在一定的角度范圍內(nèi)達(dá)到平衡，從而驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性和合理性。但是在試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人的穩(wěn)定性和抗干擾性不是很理想。由于采用的是性能一般的不能調(diào)速的直流電機(jī)，它的響應(yīng)速度較慢，當(dāng)傾倒范圍過大時，機(jī)器人不能做出快速響應(yīng)向平衡位置調(diào)整；而且如果機(jī)器人突然遇到外界擾動平衡被破壞時，機(jī)器人也很難重新調(diào)整到平衡狀態(tài)。另外，機(jī)器人的重心位置對穩(wěn)定性也有很大影響，如重心過低，傾倒速度太快，很難有效控制，如重心過高則需要增大電機(jī)轉(zhuǎn)矩并且抗干擾性差。在下一步的制作和試驗(yàn)中，采用能調(diào)速、響應(yīng)快，性能更好一些的直流電機(jī)，以便克服不足之處，使自平衡機(jī)器人控制性能進(jìn)一步完善。