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1、一种自平衡机器人的制作和研究阐述了一种自平衡机器人的构成、控制系统的工作原理、硬件电路和控制算法。其系统构造主要由机械行走装置、控制系统和传感器三大局部组成，机械行走装置主要由车体平台、小型直流电机和左、右车轮组成。控制系统以C80511310单片机为核心，由电池模块、电机驱动芯片及外围电路组成。车体平台位姿的监测采用倾角传感器。通过对实物进展控制试验，验证了该系统的合理性和有效性。1前言机器人是典型的机电一体化产品，它的制作涉及到计算机、控制论、机构学、传感技术、人工智能、仿生学等诸多学科的知识，是机电一体化专业学生开展综合知识训练的最正确平台。通过开展机器人的制作活动，可以全面培养学生的动
2、手才能、创造才能、团队合作才能和进取精神。机器人制作比赛作为一种创新教育的战略性手段已经逐渐被教育界的人们所认识。图1制作的自平衡机器人外观图2系统构成原理图自平衡机器人不同于一般车轮型机器人，其两个车轮采用左右平行布置的构造，所以本身是一个自然不稳定体。也就是讲自平衡机器人在静止状态下，不能保持竖立在垂直平衡位置，车体总是要向前或者向后倾倒。但在运动状态下，可以通过一定的控制策略来使它到达动态平衡。最近几年度，由于自平衡机器人内在的不稳定性和构造灵敏性的特点，吸引了世界上许多机器人爱好者的兴趣，制作了多种构造外观各异的自平衡机器人，尝试各种控制策略使其到达自平衡控制。通常这类机器人采用倾角传
3、感器、角速度或者加速度传感器组成姿态传感器来检测车体平台的倾斜角度和倾倒速率，根据当前车体平台的姿态，对直流伺服电机的驱动电压的大小和方向施行控制，进而使车体保持平衡。该方式制作的自平衡机器人固然控制性能良好，但本钱昂贵，不适宜大学生自己开展课外制作。本文尝试用价格低廉的普通小型直流电机作为行走机构的驱动器，仅采用倾角传感器来检测车体的状态，辅助一局部低本钱的电子元器件，构成小型自平衡机器人。文中表达了该机器人的系统构造、硬件电路和控制算法。2系统构成制作的自平衡机器人系统构造主要由机械行走装置、控制系统和传感器三大局部组成，其外观和系统构成原理图分别如图1和图2所示。机械行走装置主要由车体平
4、台、小型直流电机和左、右车轮组成。控制系统以C8051P310单片机为控制核心，由电池模块、电机驱动芯片及外围电路组成。其中电池模块分为两个模块：模块1提供8V和5V的电压，分别为传感器和单片机供电。模块2采用可充电电池单独为两个直流电机提供6V的直流电压，使硬件电路电源与电机电源隔离。这样不仅知足了电机对大电流的要求，而且排除了电机电压波动对硬件电路供电稳定性的影响。传感器为固体倾角传感器，用来检测车体平台相对地面倾斜的角度。整机平衡控制原理为：当车体偏离平衡位置垂直位置向前倾斜时，传感器收集信号传送到单片机进展判断，车轮随之做出响应向前运动，将车体向平衡位置调整；同样当车体向后倾斜时，车轮
5、将向后运动。这样机器人一直处在倾斜判断、运动调整的动态经过中，使车体始终保持在乎衡位置附近，到达一种动态平衡。3控制系统及倾角传感器控制系统以C80511310单片机为控制核心，根据倾角传感器检测到的车体倾角的大小和方向，按照一定的控制策略做出判断，输出电机控制信号，驱动直流电机运动，及时调整机器人的运行状态，进而保持动态平衡。3.1C8051F310单片机C8051F310单片机具有与8051指令集完全兼容的CIP-51内核，是完全集成的混合信号片上系统SOC。它的内核采用流水线指令构造，70指令的执行时间为1个或者2个时钟周期，当时钟频率为25MHz时，速度可到达25MIPS，远高于同类型
6、的其它单片机。在芯片内部集成了构成1个单片机数据收集或者控制系统所需要的几乎所以模拟和数字外设，主要包括：1个多通道ADC子系统、4个通用的16位定时器、4个8位的通用I/O端口、可编程穿插开关和16KB的Flash程序存储器等。此外，在C8051F310单片机的编译环境下，可以非常方便地进展状态监控和在线调试，为平衡机器人初始平衡位置确实定提供了便捷的条件。基于C80511310控制器I/O口资源分配如图3所示。3.2倾角传感器选用的倾角传感器型号为UCB-1，有PWM和模拟电压两种输出形式，其测量范围是40。由于采用无触电构造，体积小，寿命长，可靠性高，十分适用于频繁运动的场合，并且在同一
7、温度下，传感器的输出与输入呈良好的线性关系。倾角传感器垂直安装在自平衡机器人的车体支撑板上，用于准确测量车体偏离平衡位置的角度，倾角传感器的输出电压范围是2.54.5V，经过信号调理电路后限制稳定在1.52.7V传送至单片机。理论证明，它可以提供准确的角度值，知足自平衡机器人的要求。图3C8051F310单片机I/O口的资源分配图4控制系统程序框图4系统软件设计整个系统的软件可以分为外设初始化模块、系统参数设置模块、信号收集模块、数字滤波和标度变换模块、控制模块五局部，软件流程图如图4所示。参数设置功能模块主要完成控制参数设置。数字滤波和标度变换模块完成输入信号的加权平均滤波和标度变换。单片机
8、初始化完成后，发出指令收集倾角传感器信号，经过滤波和标度变换后，将转换后的电压值送人控制模块进展比拟判断，比拟时参照预先设定的平衡位置的电压范围，电压值假设处于平衡范围内，单片机发出指令保持原平衡状态；假如超出这个范围，判断倾角的方向，发出指令驱动电机正转或者反转，向平衡范围调整。整个系统不停地收集、比拟判断、调整，最终使系统始终保持在平衡范围内。所有程序均采用KeilC51编写，各模块具有很好的独立性和可读性。5结论本文利用价廉的元器件，以C8051F310单片机为控制器核心，制作出了低本钱的自平衡机器人。通过对实物的控制试验说明，该系统可以有效地控制在零点位置，在一定的角度范围内到达平衡，进而验证了系统设计的有效性和合理性。但是在试验中也发现，机器人的稳定性和抗干扰性不是很理想。由于采用的是性能一般的不能调速的直流电机，它的响应速度较慢，当倾倒范围过大时，机器人不能做出快速响应向平衡位置调整；而且假如机器人突然遇到外界扰动平衡被破坏时，机器人也很难重新调整到平衡状态。另外，机器人的重心位置对稳定性也有很大影响，如重心过低，倾倒速度太快，很难有效控制，如重心过高那么需要增大电机转矩并且抗干扰性差。在下一步的制作和试验中，采用能调速、响应快，性能更好一些的直流电机，以便克制缺乏之处，使自平衡机器人控制性能进一步完善。