論兩輪自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉志鋮

【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，促使機(jī)器人技術(shù)在各行各業(yè)中得到應(yīng)用。本文介紹了一種基于單片機(jī)技術(shù)的新型兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，此控制系統(tǒng)通過(guò)MPU運(yùn)動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的直立行駛以及方向控制，而且通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用，可以對(duì)該機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)施遠(yuǎn)程操作。本文主要對(duì)該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)論述。

【關(guān)鍵詞】自平衡機(jī)器人；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 前言

在兩輪自平衡機(jī)器人設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于操作系統(tǒng)的復(fù)雜性，讓機(jī)器人系統(tǒng)研究和開(kāi)發(fā)工作變得非常繁瑣。對(duì)于該機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，能夠巧妙的與地心引力相結(jié)合，通過(guò)重力提供可靠動(dòng)力，最終實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)向前運(yùn)行。兩輪自平衡機(jī)器人在使用過(guò)程中具有很強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，因此在各種控制理論的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，工作人員都將它作為研究對(duì)象。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在研究過(guò)程中，為了能讓機(jī)器人用一對(duì)平行車(chē)輪實(shí)現(xiàn)平衡和運(yùn)輸功能，相關(guān)科技人員做出了很多努力和研究，其總體設(shè)計(jì)如圖1所示。對(duì)于兩輪自平衡機(jī)器人來(lái)說(shuō)，自身所有功能幾乎都是依靠平行車(chē)輪來(lái)實(shí)現(xiàn)的，每只車(chē)輪主要依靠直流電提供驅(qū)動(dòng)力。在兩輪自平衡機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，包括以下幾個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：平衡功能控制系統(tǒng)、速度功能控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向功能控制系統(tǒng)。在平衡功能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般都是以機(jī)器人的整體傾斜角度為輸入控制變量，并通過(guò)直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來(lái)保持機(jī)器人在工作過(guò)程中的平衡。在速度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，是在平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)完善的基礎(chǔ)上來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)器人的傾斜角度來(lái)實(shí)現(xiàn)速度控制。在轉(zhuǎn)向功能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要比前兩者設(shè)計(jì)復(fù)雜，需要對(duì)兩臺(tái)直流電機(jī)進(jìn)行操作和控制，通過(guò)改變兩輪之間的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人整體轉(zhuǎn)向。

在研究過(guò)程中，由于上述三個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相互獨(dú)立，因此在控制算法的計(jì)算中具有相互獨(dú)立特點(diǎn)，但在機(jī)器人工作過(guò)程中又保持相互關(guān)聯(lián)，一般都是通過(guò)改變傾斜角度，來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)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(jī)器人系統(tǒng)中的電路設(shè)計(jì)

2.1 檢驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

本文所選用的動(dòng)態(tài)模塊設(shè)計(jì)主要是通過(guò)加速傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)原理。在檢測(cè)模塊工作過(guò)程中，主要依靠加速計(jì)來(lái)檢測(cè)機(jī)器人的傾斜角，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出機(jī)器人靜態(tài)中傾斜角的具體數(shù)值，在機(jī)器人加速度檢測(cè)中，需要用到陀螺儀進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)，這一點(diǎn)可以通過(guò)引進(jìn)角速度關(guān)系來(lái)得到最終加速度結(jié)果。另外，想要精確得到傾斜角和加速度的數(shù)值，需要將陀螺儀測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合優(yōu)化，并與加速度測(cè)量模塊中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，通過(guò)特定的運(yùn)算法則（卡爾曼濾波算法）進(jìn)行最終運(yùn)算，從而得到準(zhǔn)確的傾斜角度和加速度數(shù)值。

2.2 通信模塊的設(shè)計(jì)

在機(jī)器人通信模塊設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般會(huì)利用帶無(wú)線藍(lán)牙技術(shù)。本文在通信模塊設(shè)計(jì)中引入了SPP-C無(wú)線藍(lán)牙模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)與終端設(shè)備相結(jié)合，最終對(duì)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作控制，該藍(lán)牙設(shè)計(jì)技術(shù)的研制利用了無(wú)線數(shù)據(jù)模塊與信號(hào)傳輸系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了控制信號(hào)的無(wú)障礙接受和處理，其具體設(shè)計(jì)原理。在兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，將藍(lán)牙模塊與單片機(jī)的串口進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與終端設(shè)備進(jìn)行通信，本文在研究設(shè)計(jì)過(guò)程中，都是將藍(lán)牙模塊和串口1進(jìn)行連接。

2.3 圖像處理模塊設(shè)計(jì)

在兩輪自平衡機(jī)器人設(shè)計(jì)過(guò)程中，圖像處理模塊的設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)器人日常工作起到了重要作用，本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用的是CCD攝像頭，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)和圖像的實(shí)時(shí)采集。在圖像采集工作完成之后，機(jī)器人內(nèi)部系統(tǒng)會(huì)首先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，主要是去除圖像中的模糊痕跡，之后再進(jìn)行圖像傳輸。而在預(yù)處理過(guò)程中，涉及到一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，就是在處理圖像時(shí)，需要對(duì)處理闕值進(jìn)行精準(zhǔn)確定，以方便后續(xù)二值化處理的進(jìn)行。

3 機(jī)器人整體控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在兩輪自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，包括了很多硬件和軟件的設(shè)計(jì)，其具體設(shè)計(jì)流程。在系統(tǒng)上電之后，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)進(jìn)行初始化處理，在初始化過(guò)程中，包含很多初始化程序，比如說(shuō)定時(shí)器、系統(tǒng)中各個(gè)端口以及開(kāi)關(guān)等。待所有元件的初始化工作順利完成之后，檢測(cè)模塊的檢測(cè)信息以及電機(jī)的電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速信息都會(huì)傳到單片機(jī)的端口中，并進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換，將整理好的數(shù)據(jù)再傳輸?shù)诫姍C(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的平衡控制、速度控制以及轉(zhuǎn)向控制。在控制算法的實(shí)現(xiàn)中，平衡控制采用的是PD控制算法，對(duì)于兩輪自平衡機(jī)器人來(lái)說(shuō)，平衡控制是最重要的控制部分，而在機(jī)器人進(jìn)行其他控制過(guò)程中，對(duì)平衡控制會(huì)產(chǎn)生很多干擾因素。在速度控制中，是利用PI實(shí)現(xiàn)控制計(jì)算的，在此控制計(jì)算實(shí)施過(guò)程中，主要對(duì)編碼器信息進(jìn)行低通過(guò)濾，最終削弱了電機(jī)控制的比重，將系統(tǒng)整體穩(wěn)定性提高。轉(zhuǎn)向控制與平衡控制的控制算法類似，都是采用PD模式，通過(guò)測(cè)定機(jī)器人兩輪的速度差值實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的合理轉(zhuǎn)向[2]。

3.2 圖像收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

自平衡機(jī)器人在圖像收集過(guò)程中的信息數(shù)據(jù)，上文說(shuō)到，機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的提取工作。本文是通過(guò)提取黑線方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的圖像收集工作。在機(jī)器人工作過(guò)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(guò)程中一定要注意機(jī)器人整體偏移角度和偏移量，可以總結(jié)速度和偏移量之間的關(guān)系。另外，窗口位置的選擇，決定著機(jī)器人的貼線程度，具體越貼線越近，機(jī)器人運(yùn)行路線越平穩(wěn)，得到的圖像就會(huì)越清晰，這樣，也會(huì)方便下一步圖像處理工作的進(jìn)行。

4 總結(jié)

綜上所述，本文通過(guò)對(duì)兩輪自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行論述，介紹了平衡控制系統(tǒng)以及圖像采集處理系統(tǒng)，并通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)的使用，實(shí)現(xiàn)了自平衡機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，為相關(guān)人員做進(jìn)一步研究提供理論基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李世光，王文文，申夢(mèng)茜，高正中.兩輪自平衡機(jī)器人平衡控制仿真與研究[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，（06）：76-81.

[2]周牡丹，康愷，蔡普郎，黃天健.兩輪自平衡車(chē)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2014，（10）：4-8.

[責(zé)任編輯：張濤]endprint