兩輪自平衡機器人控制系統設計與實現

文/劉靜 肖家寶 王曉 錢雯

兩輪自平衡機器人的控制系統是實現兩輪自平衡機器人的移動過程中保持平衡的關鍵系統，也是兩輪自平衡機器人實現功能拓展與增加的基礎與前提。

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，在近些年來實現了快速的發展突破，由于其在控制性、生產經濟性、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勢，因而一度成為輪式機器人控制研究領域的熱點研究論題。兩輪式自平衡機器人的物理結構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構，機身下板固定安裝機器人的控制系統及電池等電路設備，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上再進行一定的功能拓展，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構決定了其的不穩定平衡性，在靜止狀態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，無法實現機身平面的平衡，因此必須要通過機器人的平衡控制系統對兩個車輪進行協調控制，以實現機器人機身的平衡。

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多為以單片機為計算系統的集成電路控制系統，通過安裝在車輪位置的姿態傳感器測量機身的傾斜角度，然后通過控制電路內核的單片機使用相應的算法對控制車輪轉動的伺服電機輸出相應的控制信號，進而使輪式電機產生與之對應的扭矩，從而實現機身的平衡。自平衡機器人在控制系統不工作的狀態下無法實現機身的平衡，因此機身會向前或向后傾倒，根據傾倒的方向與傾倒角度的大小判斷機身的位置狀態。當控制系統通電工作時，可以根據機器人的運動狀態為其定義前進、后退、靜止三個工作狀態，姿態傳感器將傾倒方向、傾倒角度等數據采集并發送至單片機后，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也會發生相應的改變，因此兩輪自平衡機器人的平衡控制是一個連續動態的檢測輸出控制過程。

3 控制系統主要硬件設計

3.1 單片機選用

目前我國用于實驗研發的自平衡車控制系統中多使用單片機作為核心計算系統，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而言，單片機的構架與計算速度是比較重要的參考指標，同時單片機運行環境的穩定性也對控制系統有著重要影響。對于大多數單片機為核心的控制系統，兩個車輪的群東都使用PWM輸出管腳進行對輪式電機的控制，同時利用單片機內置的定時模塊利用檢測模塊輸出脈沖信號，從而監測機器人機身的傾角大小。

3.2 檢測模塊的設計

MPU-6000芯片是世界上第一例整合性6軸運動處理組件，在增加了內部組件集成的同時，提高了陀螺儀與加速器的應用效率與使用性能，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、運動感測游戲等場景。對于兩輪自平衡機器人的控制系統而言，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確性，為單片機輸入更為準確的角速度型號，從而提升控制系統平衡控制性能。

3.3 通信模塊的設計

多數兩輪自平衡機器人的控制系統在實驗階段都會使用無線藍牙通信技術，SPP-C藍牙通信模塊在藍牙信號的輸出功率、模塊體積、運行穩定性等方面都能夠有效滿足多數控制系統的通信要求。通過無線藍牙通信組件可以實現對自平衡機器人的遠程控制，并且大大的增加了控制系統的兼容性，使控制方法及范圍拓展至大量的集成藍牙通信功能的移動終端設備。目前絕大多數的筆記本電腦、智能手機、平板電腦等移動終端都搭載有無線藍牙通信功能，通過藍牙模塊可以與單片機進行無線通信，從而實現兩輪自平衡機器人的遠程控制。

4 控制系統實現的注意事項

4.1 保證控制系統的接線質量

兩輪自平衡機器人的控制系統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，需要將復雜的芯片管腳、引線按照設計圖紙高質量的連接才能保證控制系統的穩定性，從而實現控制系統的控制效果。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的不穩定性。尤其是再機器人拓展功能較多時，過多的引線影響了出現故障時檢測故障的效率，同時由于控制系統內部空間有限，引線連接也增加了接線難度，時常發生引線失誤短接造成元器件燒毀損壞的情況，如果短接發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的實驗中，應盡量提高控制系統接線的質量，以提高控制系統的穩定性，提高實驗效率，促進控制系統功能的實現。

4.2 優化電源與電機驅動模塊

在兩輪自平衡機器人控制系統實現的實驗中，一般都需要進行多次實驗才能優選出較為有效的平衡策略。因此，多數平衡控制系統的研發實驗都將實驗重點放在控制系統檢測模塊、數據處理算法模型、控制信號輸出模塊等方面，而忽略了機器人電源系統和車輪電機驅動系統的優化。根據筆者的實驗經驗，部分兩輪自平衡機器人控制系統策略設計的實現不是因為其控制策略設計不合理，而是其設計的控制系統未能得到輸出穩定、功率滿足要求的電源支持系統，導致控制系統的供電不足，各功能模塊之間的信號無法有效傳達或者傳達效率產生偏差，從而影響了控制信號輸出的準確性。還有部分實驗失敗是因為電機的驅動模塊功率不足，當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，需要優化機器人的電源與電機驅動模塊，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，從而保證控制系統功能的實現。

4.3 優化軟件系統算法

軟件系統的角速度算法是兩輪自平衡機器人控制系統的核心部分，如果算法設計編寫不合理，即使檢測模塊的角速度數據收集再準確也會影響控制系統的功能實現。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，通過查閱相關的實驗數據能夠較為容易的找到適用的算法。需要強調的是，不同的軟件算法是和具體的控制策略緊密結合的，因此在軟件算法的選擇時需要根據控制策略進行針對性的優化，從而提高單片機輸出信號的準確性。

5 結語

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了很大的發展，在控制系統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，從而實現控制系統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中，單片機的選用、檢測模塊的設計、藍牙模塊的設計是三個較為重要的設計環節，在控制系統功能的實現過程中有必要在保證控制系統的接線質量、優化電源與電機驅動模塊、優化軟件系統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的控制有效性，保證控制系統功能的實現。