自平衡機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言
移動式機(jī)器人在各行各業(yè)具有廣泛的應(yīng)用，而輪式移動機(jī)器人由于具有結(jié)構(gòu)簡單、可控性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為移動式機(jī)器人研究的一個(gè)主要方向。自平衡機(jī)器人采用水平布置的兩輪結(jié)構(gòu)，本身是一個(gè)不穩(wěn)定體。也就是說，自平衡機(jī)器人在靜止?fàn)顟B(tài)下，不能保持平衡，車體總是要向前或向后傾倒；而在運(yùn)動狀態(tài)下，可以通過一定的控制策略使它達(dá)到動態(tài)平衡。
由于自平衡機(jī)器人具有內(nèi)在不穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)靈活性，國內(nèi)外機(jī)器人愛好者設(shè)計(jì)了多種結(jié)構(gòu)、外觀各異的自平衡機(jī)器人，嘗試采用各種控制策略使其達(dá)到自平衡控制。通常這類機(jī)器人采用姿態(tài)傳感器檢測機(jī)器人車體的傾倒角度和傾倒角速度，根據(jù)當(dāng)前機(jī)器人姿態(tài)控制伺服電機(jī)驅(qū)動電壓的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，從而使機(jī)器人保持平衡。該方式制作的自平衡機(jī)器人雖然控制性能良好，但成本高，不適合廣泛推廣。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人嘗試采用紅外測距傳感器測量車體與地面的距離，通過計(jì)算獲取機(jī)器人的姿態(tài)信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自平衡。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計(jì)的自平衡機(jī)器人系統(tǒng)主要由機(jī)械行走裝置、控制系統(tǒng)和傳感器3部分組成，如圖1所示。

機(jī)械行走裝置主要由車體平臺、電機(jī)驅(qū)動器、直流無刷電機(jī)、齒輪減速機(jī)構(gòu)和車輪組成。機(jī)器人采用48 V電池供電，通過DC-DC模塊轉(zhuǎn)換為5 V和24 V電壓。其中，5 V提供給控制系統(tǒng)和傳感器，24 V提供給電機(jī)驅(qū)動器。控制系統(tǒng)以ATmega128單片機(jī)為主控制芯片，通過SJA1000擴(kuò)展CAN總線與電機(jī)驅(qū)動器通信。紅外測距傳感器的輸出是與距離成正比的模擬電壓值，輸入到單片機(jī)的A／D采樣端口進(jìn)行處理，從而得到距離信息。機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。