文/劉靜 肖家寶 王曉 錢(qián)雯

兩輪自平衡機(jī)器人的控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡機(jī)器人的移動(dòng)過(guò)程中保持平衡的關(guān)鍵系統(tǒng)，也是兩輪自平衡機(jī)器人實(shí)現(xiàn)功能拓展與增加的基礎(chǔ)與前提。

1 兩輪自平衡機(jī)器人概述

兩輪自平衡機(jī)器人是移動(dòng)式機(jī)器人的一個(gè)重要分支，在近些年來(lái)實(shí)現(xiàn)了快速的發(fā)展突破，由于其在控制性、生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性、功能拓展性等方面都較其他的輪式機(jī)器人有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，因而一度成為輪式機(jī)器人控制研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究論題。兩輪式自平衡機(jī)器人的物理結(jié)構(gòu)由兩個(gè)車(chē)輪與機(jī)器人機(jī)身組成，車(chē)輪一般是由直流輪式電機(jī)與加裝的功能及控制部件組成，機(jī)身多為連接兩個(gè)車(chē)輪的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，機(jī)身下板固定安裝機(jī)器人的控制系統(tǒng)及電池等電路設(shè)備，上板一般可以安裝一些拓展性的功能模塊，在機(jī)器人的行走移動(dòng)功能的基礎(chǔ)上再進(jìn)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(jī)器人的適用范圍與實(shí)用性。兩輪自平衡機(jī)器人的雙輪結(jié)構(gòu)決定了其的不穩(wěn)定平衡性，在靜止?fàn)顟B(tài)下將自平衡機(jī)器人放置在水平的地面上，機(jī)器人機(jī)身將向前或向后傾倒，無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)身平面的平衡，因此必須要通過(guò)機(jī)器人的平衡控制系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)車(chē)輪進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人機(jī)身的平衡。

2 自平衡機(jī)器人的平衡控制機(jī)理

兩輪自平衡機(jī)器人的機(jī)身平衡控制系統(tǒng)多為以單片機(jī)為計(jì)算系統(tǒng)的集成電路控制系統(tǒng)，通過(guò)安裝在車(chē)輪位置的姿態(tài)傳感器測(cè)量機(jī)身的傾斜角度，然后通過(guò)控制電路內(nèi)核的單片機(jī)使用相應(yīng)的算法對(duì)控制車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的伺服電機(jī)輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，進(jìn)而使輪式電機(jī)產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的扭矩，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)身的平衡。自平衡機(jī)器人在控制系統(tǒng)不工作的狀態(tài)下無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)身的平衡，因此機(jī)身會(huì)向前或向后傾倒，根據(jù)傾倒的方向與傾倒角度的大小判斷機(jī)身的位置狀態(tài)。當(dāng)控制系統(tǒng)通電工作時(shí)，可以根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為其定義前進(jìn)、后退、靜止三個(gè)工作狀態(tài)，姿態(tài)傳感器將傾倒方向、傾倒角度等數(shù)據(jù)采集并發(fā)送至單片機(jī)后，再由單片機(jī)對(duì)車(chē)輪輸出控制信號(hào)，形成檢測(cè)——接收——計(jì)算處理——輸出控制信號(hào)的周期過(guò)程，而當(dāng)單片機(jī)對(duì)車(chē)輪輸出控制信號(hào)后，車(chē)輪與車(chē)身的位置與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，因此兩輪自平衡機(jī)器人的平衡控制是一個(gè)連續(xù)動(dòng)態(tài)的檢測(cè)輸出控制過(guò)程。

3 控制系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)選用

目前我國(guó)用于實(shí)驗(yàn)研發(fā)的自平衡車(chē)控制系統(tǒng)中多使用單片機(jī)作為核心計(jì)算系統(tǒng)，使用較多的有80C51系列單片機(jī)、STM32系列單片機(jī)、ARM單片機(jī)等。對(duì)于自平衡車(chē)的控制系統(tǒng)而言，單片機(jī)的構(gòu)架與計(jì)算速度是比較重要的參考指標(biāo)，同時(shí)單片機(jī)運(yùn)行環(huán)境的穩(wěn)定性也對(duì)控制系統(tǒng)有著重要影響。對(duì)于大多數(shù)單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，兩個(gè)車(chē)輪的群東都使用PWM輸出管腳進(jìn)行對(duì)輪式電機(jī)的控制，同時(shí)利用單片機(jī)內(nèi)置的定時(shí)模塊利用檢測(cè)模塊輸出脈沖信號(hào)，從而監(jiān)測(cè)機(jī)器人機(jī)身的傾角大小。

3.2 檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)

MPU-6000芯片是世界上第一例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，在增加了內(nèi)部組件集成的同時(shí)，提高了陀螺儀與加速器的應(yīng)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(jì)算的準(zhǔn)確性，由于其出色的角速度感測(cè)范圍，MPU-6000芯片廣泛運(yùn)用于智能手機(jī)和平板電腦的體感組件、姿勢(shì)感應(yīng)、運(yùn)動(dòng)感測(cè)游戲等場(chǎng)景。對(duì)于兩輪自平衡機(jī)器人的控制系統(tǒng)而言，使用MPU-6000芯片作為機(jī)身傾角的檢測(cè)組件可以有效提升角速度檢測(cè)的準(zhǔn)確性，為單片機(jī)輸入更為準(zhǔn)確的角速度型號(hào)，從而提升控制系統(tǒng)平衡控制性能。

3.3 通信模塊的設(shè)計(jì)

多數(shù)兩輪自平衡機(jī)器人的控制系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)階段都會(huì)使用無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙通信技術(shù)，SPP-C藍(lán)牙通信模塊在藍(lán)牙信號(hào)的輸出功率、模塊體積、運(yùn)行穩(wěn)定性等方面都能夠有效滿(mǎn)足多數(shù)控制系統(tǒng)的通信要求。通過(guò)無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙通信組件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自平衡機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制，并且大大的增加了控制系統(tǒng)的兼容性，使控制方法及范圍拓展至大量的集成藍(lán)牙通信功能的移動(dòng)終端設(shè)備。目前絕大多數(shù)的筆記本電腦、智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)終端都搭載有無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙通信功能，通過(guò)藍(lán)牙模塊可以與單片機(jī)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，從而實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。

4 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的注意事項(xiàng)

4.1 保證控制系統(tǒng)的接線(xiàn)質(zhì)量

兩輪自平衡機(jī)器人的控制系統(tǒng)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(tǒng)，需要將復(fù)雜的芯片管腳、引線(xiàn)按照設(shè)計(jì)圖紙高質(zhì)量的連接才能保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的控制效果。在兩輪自平衡機(jī)器人的控制階段，為了提高控制系統(tǒng)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(xiàn)的連接方式，雖然這樣的方式能夠通過(guò)大量的組件使用實(shí)驗(yàn)篩選出適合其設(shè)計(jì)的控制策略的功能模塊，有效的減少了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中更換組件的時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)的效率，但是通過(guò)引線(xiàn)連接也在一定程度上增加了控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。尤其是再機(jī)器人拓展功能較多時(shí)，過(guò)多的引線(xiàn)影響了出現(xiàn)故障時(shí)檢測(cè)故障的效率，同時(shí)由于控制系統(tǒng)內(nèi)部空間有限，引線(xiàn)連接也增加了接線(xiàn)難度，時(shí)常發(fā)生引線(xiàn)失誤短接造成元器件燒毀損壞的情況，如果短接發(fā)生在一些體積較小的元器件上，故障檢測(cè)工作會(huì)變得非常復(fù)雜且耗時(shí)長(zhǎng)，大大影響了實(shí)驗(yàn)的效率。因此，在兩輪自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)盡量提高控制系統(tǒng)接線(xiàn)的質(zhì)量，以提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高實(shí)驗(yàn)效率，促進(jìn)控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

4.2 優(yōu)化電源與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

在兩輪自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)中，一般都需要進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)才能優(yōu)選出較為有效的平衡策略。因此，多數(shù)平衡控制系統(tǒng)的研發(fā)實(shí)驗(yàn)都將實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)放在控制系統(tǒng)檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)處理算法模型、控制信號(hào)輸出模塊等方面，而忽略了機(jī)器人電源系統(tǒng)和車(chē)輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化。根據(jù)筆者的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，部分兩輪自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)策略設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)不是因?yàn)槠淇刂撇呗栽O(shè)計(jì)不合理，而是其設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)未能得到輸出穩(wěn)定、功率滿(mǎn)足要求的電源支持系統(tǒng)，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的供電不足，各功能模塊之間的信號(hào)無(wú)法有效傳達(dá)或者傳達(dá)效率產(chǎn)生偏差，從而影響了控制信號(hào)輸出的準(zhǔn)確性。還有部分實(shí)驗(yàn)失敗是因?yàn)殡姍C(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊功率不足，當(dāng)機(jī)身傾角角度過(guò)大時(shí)無(wú)法為電機(jī)提供足夠大的扭矩，從而使機(jī)器人失去平衡。因此在實(shí)驗(yàn)中，需要優(yōu)化機(jī)器人的電源與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，在實(shí)驗(yàn)條件允許的條件下盡量選擇性能超過(guò)實(shí)驗(yàn)要求范圍的元器件，從而保證控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

4.3 優(yōu)化軟件系統(tǒng)算法

軟件系統(tǒng)的角速度算法是兩輪自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心部分，如果算法設(shè)計(jì)編寫(xiě)不合理，即使檢測(cè)模塊的角速度數(shù)據(jù)收集再準(zhǔn)確也會(huì)影響控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。目前兩輪自平衡機(jī)器人的控制策略較為多樣，算法編寫(xiě)方法也較為豐富，通過(guò)查閱相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠較為容易的找到適用的算法。需要強(qiáng)調(diào)的是，不同的軟件算法是和具體的控制策略緊密結(jié)合的，因此在軟件算法的選擇時(shí)需要根據(jù)控制策略進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化，從而提高單片機(jī)輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，兩輪自平衡機(jī)器人由于出色的可控性、拓展性在近些年來(lái)實(shí)現(xiàn)了很大的發(fā)展，在控制系統(tǒng)方面的研究也越來(lái)越多。兩輪自平衡機(jī)器人的控制機(jī)理主要是通過(guò)伺服電機(jī)控制車(chē)輪的扭矩，從而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)工作時(shí)機(jī)器人機(jī)體的平衡。在兩輪自平衡機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，單片機(jī)的選用、檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)、藍(lán)牙模塊的設(shè)計(jì)是三個(gè)較為重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，在控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中有必要在保證控制系統(tǒng)的接線(xiàn)質(zhì)量、優(yōu)化電源與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、優(yōu)化軟件系統(tǒng)算法三個(gè)方面投入更多精力，以提升兩輪自平衡機(jī)器人的控制系統(tǒng)的控制有效性，保證控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。