論兩輪自平衡機器人控制系統的設計與實現

劉志鋮

【摘 要】隨著科學技術的不斷發展，促使機器人技術在各行各業中得到應用。本文介紹了一種基于單片機技術的新型兩輪自平衡機器人系統的設計，此控制系統通過MPU運動傳感器實現了機器人的直立行駛以及方向控制，而且通過藍牙技術的應用，可以對該機器人系統實施遠程操作。本文主要對該控制系統的設計與實現進行詳細論述。

【關鍵詞】自平衡機器人；控制系統；設計與實現

0 前言

在兩輪自平衡機器人設計過程中，由于操作系統的復雜性，讓機器人系統研究和開發工作變得非常繁瑣。對于該機器人系統來說，能夠巧妙的與地心引力相結合，通過重力提供可靠動力，最終實現平穩向前運行。兩輪自平衡機器人在使用過程中具有很強優勢，因此在各種控制理論的實驗平臺中，工作人員都將它作為研究對象。

1 系統設計方案

在研究過程中，為了能讓機器人用一對平行車輪實現平衡和運輸功能，相關科技人員做出了很多努力和研究，其總體設計如圖1所示。對于兩輪自平衡機器人來說，自身所有功能幾乎都是依靠平行車輪來實現的，每只車輪主要依靠直流電提供驅動力。在兩輪自平衡機器人的控制系統設計中，包括以下幾個子系統的設計：平衡功能控制系統、速度功能控制系統和轉向功能控制系統。在平衡功能控制系統設計過程中，一般都是以機器人的整體傾斜角度為輸入控制變量，并通過直流電機的正轉和反轉來保持機器人在工作過程中的平衡。在速度控制系統設計過程中，是在平衡系統設計完善的基礎上來實現的，通過調節機器人的傾斜角度來實現速度控制。在轉向功能控制系統設計過程中，要比前兩者設計復雜，需要對兩臺直流電機進行操作和控制，通過改變兩輪之間的轉速來實現機器人整體轉向。

在研究過程中，由于上述三個控制系統設計相互獨立，因此在控制算法的計算中具有相互獨立特點，但在機器人工作過程中又保持相互關聯，一般都是通過改變傾斜角度，來實現各個方面的控制作用，因此，在控制算法上也具有一定耦合性[1]。

2 機器人系統中的電路設計

2.1 檢驗模塊設計

本文所選用的動態模塊設計主要是通過加速傳感器來實現的。其動態檢測電路設計原理。在檢測模塊工作過程中，主要依靠加速計來檢測機器人的傾斜角，能夠準確檢測出機器人靜態中傾斜角的具體數值，在機器人加速度檢測中，需要用到陀螺儀進行精準檢測，這一點可以通過引進角速度關系來得到最終加速度結果。另外，想要精確得到傾斜角和加速度的數值，需要將陀螺儀測得的數據進行整合優化，并與加速度測量模塊中得到的數據進行整合處理，通過特定的運算法則（卡爾曼濾波算法）進行最終運算，從而得到準確的傾斜角度和加速度數值。

2.2 通信模塊的設計

在機器人通信模塊設計過程中，一般會利用帶無線藍牙技術。本文在通信模塊設計中引入了SPP-C無線藍牙模塊，來實現與終端設備相結合，最終對機器人實現遠程操作控制，該藍牙設計技術的研制利用了無線數據模塊與信號傳輸系統相結合，實現了控制信號的無障礙接受和處理，其具體設計原理。在兩輪自平衡機器人系統設計過程中，將藍牙模塊與單片機的串口進行連接，從而實現機器人與終端設備進行通信，本文在研究設計過程中，都是將藍牙模塊和串口1進行連接。

2.3 圖像處理模塊設計

在兩輪自平衡機器人設計過程中，圖像處理模塊的設計，對機器人日常工作起到了重要作用，本文在設計過程中采用的是CCD攝像頭，實現了數據和圖像的實時采集。在圖像采集工作完成之后，機器人內部系統會首先對圖像進行預處理，主要是去除圖像中的模糊痕跡，之后再進行圖像傳輸。而在預處理過程中，涉及到一個技術難點，就是在處理圖像時，需要對處理闕值進行精準確定，以方便后續二值化處理的進行。

3 機器人整體控制系統的設計與實現

3.1 控制系統的設計與實現

在兩輪自平衡機器人控制系統的設計中，包括了很多硬件和軟件的設計，其具體設計流程。在系統上電之后，系統便會自動進行初始化處理，在初始化過程中，包含很多初始化程序，比如說定時器、系統中各個端口以及開關等。待所有元件的初始化工作順利完成之后，檢測模塊的檢測信息以及電機的電流和電機轉速信息都會傳到單片機的端口中，并進行有效轉換，將整理好的數據再傳輸到電機驅動模塊中，最終實現機器人的平衡控制、速度控制以及轉向控制。在控制算法的實現中，平衡控制采用的是PD控制算法，對于兩輪自平衡機器人來說，平衡控制是最重要的控制部分，而在機器人進行其他控制過程中，對平衡控制會產生很多干擾因素。在速度控制中，是利用PI實現控制計算的，在此控制計算實施過程中，主要對編碼器信息進行低通過濾，最終削弱了電機控制的比重，將系統整體穩定性提高。轉向控制與平衡控制的控制算法類似，都是采用PD模式，通過測定機器人兩輪的速度差值實現機器人的合理轉向[2]。

3.2 圖像收集系統的設計與實現

自平衡機器人在圖像收集過程中的信息數據，上文說到，機器人圖像收集常用方式是闕值法，其基本理論思想就是利用圖像不同的灰度值，實現對目標的提取工作。本文是通過提取黑線方式，來實現機器人的圖像收集工作。在機器人工作過程中，在一定距離處選取速度和矩形窗口，并在窗口中提取黑線，在在此過程中一定要注意機器人整體偏移角度和偏移量，可以總結速度和偏移量之間的關系。另外，窗口位置的選擇，決定著機器人的貼線程度，具體越貼線越近，機器人運行路線越平穩，得到的圖像就會越清晰，這樣，也會方便下一步圖像處理工作的進行。

4 總結

綜上所述，本文通過對兩輪自平衡機器人控制系統的設計進行論述，介紹了平衡控制系統以及圖像采集處理系統，并通過藍牙技術的使用，實現了自平衡機器人的遠程監控功能，為相關人員做進一步研究提供理論基礎。

【參考文獻】

[1]李世光，王文文，申夢茜，高正中.兩輪自平衡機器人平衡控制仿真與研究[J].山東科技大學學報（自然科學版），2016，（06）：76-81.

[2]周牡丹，康愷，蔡普郎，黃天健.兩輪自平衡車控制系統的設計與實現[J].自動化技術與應用，2014，（10）：4-8.

[責任編輯：張濤]endprint