闡述了一種自平衡機器人的構(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)主要由機械行走裝置、控制系統(tǒng)和傳感器三大部分組成，機械行走裝置主要由車體平臺、小型直流電機和左、右車輪組成?？刂葡到y(tǒng)以C80511310單片機為核心，由電池模塊、電機驅(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。通過對實物進行控制試驗，驗證了該系統(tǒng)的合理性和有效性。

1 前言

機器人是典型的機電一體化產(chǎn)品，它的制作涉及到計算機、控制論、機構(gòu)學、傳感技術(shù)、人工智能、仿生學等眾多學科的知識，是機電一體化專業(yè)學生開展綜合知識訓練的最佳平臺。通過開展機器人的制作活動，能夠全面培養(yǎng)學生的動手能力、創(chuàng)造能力、團隊合作能力和進取精神。機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識。

自平衡機器人不同于一般車輪型機器人，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。也就是說自平衡機器人在靜止狀態(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。但在運動狀態(tài)下，可以通過一定的控制策略來使它達到動態(tài)平衡。最近幾年，由于自平衡機器人內(nèi)在的不穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)靈活性的特點，吸引了世界上許多機器人愛好者的興趣，制作了多種結(jié)構(gòu)外觀各異的自平衡機器人，嘗試各種控制策略使其達到自平衡控制。通常這類機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)當前車體平臺的姿態(tài)，對直流伺服電機的驅(qū)動電壓的大小和方向?qū)嵤┛刂?，從而使車體保持平衡。該方式制作的自平衡機器人雖然控制性能良好，但成本昂貴，不適宜大學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作為行走機構(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)成小型自平衡機器人。文中敘述了該機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件電路和控制算法。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

制作的自平衡機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由機械行走裝置、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。 機械行走裝置主要由車體平臺、小型直流電機和左、右車輪組成?？刂葡到y(tǒng)以C8051P310單片機為控制核心，由電池模塊、電機驅(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供電。模塊2采用可充電電池單獨為兩個直流電機提供6V的直流電壓，使硬件電路電源與電機電源隔離。這樣不僅滿足了電機對大電流的要求，而且排除了電機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。

整機平衡控制原理為：當車體偏離平衡位置（垂直位置）向前傾斜時，傳感器采集信號傳送到單片機進行判斷，車輪隨之做出響應(yīng)向前運動，將車體向平衡位置調(diào)整；同樣當車體向后傾斜時，車輪將向后運動。這樣機器人一直處在傾斜判斷、運動調(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，輸出電機控制信號，驅(qū)動直流電機運動，及時調(diào)整機器人的運行狀態(tài)，從而保持動態(tài)平衡。

3.1 C8051F310單片機

C8051F310單片機具有與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，當時鐘頻率為25MHz時，速度可達到25MIPS，遠高于同類型的其它單片機。在芯片內(nèi)部集成了構(gòu)成1個單片機數(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單片機的編譯環(huán)境下，可以非常方便地進行狀態(tài)監(jiān)控和在線調(diào)試，為平衡機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。實踐證明，它可以提供精確的角度值，滿足自平衡機器人的要求。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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)字濾波和標度變換模塊完成輸入信號的加權(quán)平均濾波和標度變換。

單片機初始化完成后，發(fā)出指令采集傾角傳感器信號，經(jīng)過濾波和標度變換后，將轉(zhuǎn)換后的電壓值送人控制模塊進行比較判斷，比較時參照預先設(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單片機為控制器核心，制作出了低成本的自平衡機器人。通過對實物的控制試驗表明，該系統(tǒng)可以有效地控制在零點位置，在一定的角度范圍內(nèi)達到平衡，從而驗證了系統(tǒng)設(shè)計的有效性和合理性。但是在試驗中也發(fā)現(xiàn)，機器人的穩(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，它的響應(yīng)速度較慢，當傾倒范圍過大時，機器人不能做出快速響應(yīng)向平衡位置調(diào)整；而且如果機器人突然遇到外界擾動平衡被破壞時，機器人也很難重新調(diào)整到平衡狀態(tài)。另外，機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轉(zhuǎn)矩并且抗干擾性差。在下一步的制作和試驗中，采用能調(diào)速、響應(yīng)快，性能更好一些的直流電機，以便克服不足之處，使自平衡機器人控制性能進一步完善。