论两轮自平衡机器人控制系统的设计与实现

刘志铖

【摘 要】随着科学技术的不断发展，促使机器人技术在各行各业中得到应用。本文介绍了一种基于单片机技术的新型两轮自平衡机器人系统的设计，此控制系统通过MPU运动传感器实现了机器人的直立行驶以及方向控制，而且通过蓝牙技术的应用，可以对该机器人系统实施远程操作。本文主要对该控制系统的设计与实现进行详细论述。

【关键词】自平衡机器人；控制系统；设计与实现

0 前言

在两轮自平衡机器人设计过程中，由于操作系统的复杂性，让机器人系统研究和开发工作变得非常繁琐。对于该机器人系统来说，能够巧妙的与地心引力相结合，通过重力提供可靠动力，最终实现平稳向前运行。两轮自平衡机器人在使用过程中具有很强优势，因此在各种控制理论的实验平台中，工作人员都将它作为研究对象。

1 系统设计方案

在研究过程中，为了能让机器人用一对平行车轮实现平衡和运输功能，相关科技人员做出了很多努力和研究，其总体设计如图1所示。对于两轮自平衡机器人来说，自身所有功能几乎都是依靠平行车轮来实现的，每只车轮主要依靠直流电提供驱动力。在两轮自平衡机器人的控制系统设计中，包括以下几个子系统的设计：平衡功能控制系统、速度功能控制系统和转向功能控制系统。在平衡功能控制系统设计过程中，一般都是以机器人的整体倾斜角度为输入控制变量，并通过直流电机的正转和反转来保持机器人在工作过程中的平衡。在速度控制系统设计过程中，是在平衡系统设计完善的基础上来实现的，通过调节机器人的倾斜角度来实现速度控制。在转向功能控制系统设计过程中，要比前两者设计复杂，需要对两台直流电机进行操作和控制，通过改变两轮之间的转速来实现机器人整体转向。

在研究过程中，由于上述三个控制系统设计相互独立，因此在控制算法的計算中具有相互独立特点，但在机器人工作过程中又保持相互关联，一般都是通过改变倾斜角度，来实现各个方面的控制作用，因此，在控制算法上也具有一定耦合性[1]。

2 机器人系统中的电路设计

2.1 检验模块设计

本文所选用的动态模块设计主要是通过加速传感器来实现的。其动态检测电路设计原理。在检测模块工作过程中，主要依靠加速计来检测机器人的倾斜角，能够准确检测出机器人静态中倾斜角的具体数值，在机器人加速度检测中，需要用到陀螺仪进行精准检测，这一点可以通过引进角速度关系来得到最终加速度结果。另外，想要精确得到倾斜角和加速度的数值，需要将陀螺仪测得的数据进行整合优化，并与加速度测量模块中得到的数据进行整合处理，通过特定的运算法则（卡尔曼滤波算法）进行最终运算，从而得到准确的倾斜角度和加速度数值。

2.2 通信模块的设计

在机器人通信模块设计过程中，一般会利用带无线蓝牙技术。本文在通信模块设计中引入了SPP-C无线蓝牙模块，来实现与终端设备相结合，最终对机器人实现远程操作控制，该蓝牙设计技术的研制利用了无线数据模块与信号传输系统相结合，实现了控制信号的无障碍接受和处理，其具体设计原理。在两轮自平衡机器人系统设计过程中，将蓝牙模块与单片机的串口进行连接，从而实现机器人与终端设备进行通信，本文在研究设计过程中，都是将蓝牙模块和串口1进行连接。

2.3 图像处理模块设计

在两轮自平衡机器人设计过程中，图像处理模块的设计，对机器人日常工作起到了重要作用，本文在设计过程中采用的是CCD摄像头，实现了数据和图像的实时采集。在图像采集工作完成之后，机器人内部系统会首先对图像进行预处理，主要是去除图像中的模糊痕迹，之后再进行图像传输。而在预处理过程中，涉及到一个技术难点，就是在处理图像时，需要对处理阙值进行精准确定，以方便后续二值化处理的进行。

3 机器人整体控制系统的设计与实现

3.1 控制系统的设计与实现

在两轮自平衡机器人控制系统的设计中，包括了很多硬件和软件的设计，其具体设计流程。在系统上电之后，系统便会自动进行初始化处理，在初始化过程中，包含很多初始化程序，比如说定时器、系统中各个端口以及开关等。待所有元件的初始化工作顺利完成之后，检测模块的检测信息以及电机的电流和电机转速信息都会传到单片机的端口中，并进行有效转换，将整理好的数据再传输到电机驱动模块中，最终实现机器人的平衡控制、速度控制以及转向控制。在控制算法的实现中，平衡控制采用的是PD控制算法，对于两轮自平衡机器人来说，平衡控制是最重要的控制部分，而在机器人进行其他控制过程中，对平衡控制会产生很多干扰因素。在速度控制中，是利用PI实现控制计算的，在此控制计算实施过程中，主要对编码器信息进行低通过滤，最终削弱了电机控制的比重，将系统整体稳定性提高。转向控制与平衡控制的控制算法类似，都是采用PD模式，通过测定机器人两轮的速度差值实现机器人的合理转向[2]。

3.2 图像收集系统的设计与实现

自平衡机器人在图像收集过程中的信息数据，上文说到，机器人图像收集常用方式是阙值法，其基本理论思想就是利用图像不同的灰度值，实现对目标的提取工作。本文是通过提取黑线方式，来实现机器人的图像收集工作。在机器人工作过程中，在一定距离处选取速度和矩形窗口，并在窗口中提取黑线，在在此过程中一定要注意机器人整体偏移角度和偏移量，可以总结速度和偏移量之间的关系。另外，窗口位置的选择，决定着机器人的贴线程度，具体越贴线越近，机器人运行路线越平稳，得到的图像就会越清晰，这样，也会方便下一步图像处理工作的进行。

4 总结

综上所述，本文通过对两轮自平衡机器人控制系统的设计进行论述，介绍了平衡控制系统以及图像采集处理系统，并通过蓝牙技术的使用，实现了自平衡机器人的远程监控功能，为相关人员做进一步研究提供理论基础。

【参考文献】

[1]李世光，王文文，申梦茜，高正中.两轮自平衡机器人平衡控制仿真与研究[J].山东科技大学学报（自然科学版），2016，（06）：76-81.

[2]周牡丹，康恺，蔡普郎，黄天健.两轮自平衡车控制系统的设计与实现[J].自动化技术与应用，2014，（10）：4-8.

[责任编辑：张涛]endprint