《单足自平衡机器人》

前言

传统机器人的移动平台，基本上都由三个以上的车轮或履带实现的，在静止状态下，他们有很好的稳定性，但是这些方案只能在低重心移动是具有这种很好的平衡性，如果它的重心偏高或重心突然改变，容易摔倒，例如在刹车的时候。这严重限制了它的应用领域，例如在正常人类环境中，我们制作机器人的时候必须将传感器（如摄像头）等必须放置在一个合理高度，使得车体重心偏高，影响运行稳定性，容易发生侧倾等。另外，如果在狭窄的道路中行走，传统的多轮车或履带车如果需要转向，均需要一个合适的转弯半径。

因此基于自平衡平台的机器人早几年就出现在各个领域。双轮自平衡机器人，亦称为本质不稳定自主移动机器人，其概念是二十世纪八十年代提出来的，是属于轮式移动机器人中的一种，并且结合了自主移动的思想，是一种特殊的轮式移动机器人。其想法来源于倒立摆的模型，经过对其进行数学模型建立和分析，可以知道其系统是一个非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统[1]。其中以代步工具Segway为代表，它是一种消费级的代步工具，在探测机器人领域，双轮平衡系统相对于四轮系统，在体积和适应性方面已经有了很大的进步，可见双轮的自平衡平台已经非常成熟。

但随着技术的革新和机器人在各个领域的推广，制造机器人过程中对可移动平台的要求越来越高，要求有更小的体积，更灵活的活动方式和更强的环境适应性。虽然仿生的多关节机器人可以满足要求，但是它的制作复杂度非常高，而且价格昂贵，很难推广和普及。

早在2006年，美国卡内基梅隆大学的科学家为此研制了一种叫做“Ballbot”的新型平衡在一个球上而不是腿或轮子上的可移动机器人。之后日本东北学院大学也制作了类似于Ballbot的BallIP机器人。最近，由日本的Yorihisa Yamamoto 基于乐高平台制作了NXT Ballbot。但在国内，这个领域还是空白的。

这种单足的自平衡机器人是依靠自身的平衡系统使其在一个球形轮上平稳站立。与地面只有一个接触点，相比起传统的多轮车，它有更好的灵活性，可以无需转向地在任何方向上移动，同时能够避免传统车辆因重心改变而倒下。因此在这个平台上实现机器人的设计，能够适用于狭窄、拥挤和很多扰动因素的环境。

本项目就是采用这种球形滚轮平衡的方案，类似老式的滚球式鼠标的机械结构。采用iNEMO STEVAL-MKI062V2惯性测量平台和STM32主控作为整个系统核心，利用板上先进的MEMS技术的加速度和陀螺仪传感器来实现单足直立机器人的自平衡。整个系统除了单足自平衡机器人外，另外加入两个外设部件，分别是以太网射频控制器和遥控器。

这个平台可以应用到各个领域，例如大型购物中心、国际会议或展览场所、体育场馆、办公大楼、大型公园及广场、生态旅游风景区、城市中的生活住宅小区等各种室内或室外场合。根据不同的应用场合来加入各类不同功能，例如应用在办公室里，可以加入避障、定位和网络访问控制，实现文件递送的功能。

总体方案设计

图1 系统硬件结构框图

使用STM32F103VCT6 作为主控制器，传感器使用先进的

STEVAL-MKI062V2惯性测量模块，通过模块上的LPR430AL陀螺仪传感器和LSM303DLH加速度传感器采集XY轴的角速度和加速度分量信号，由于两者具有互补特性，将一个轴上的角速度和加速度融合在一起，可以得出所需的角速度和角度，同时编码器也实时监测速度，构成一个角度环和一个位移环，均采用PD算法计算出电机所需要的转速，从而实现姿态自平衡。

车体模型

两个电机正交安装，分别定义为X轴和Y轴，电机转轴与一个橡胶轮子相连，两个轴是相互独立的，它们中间放置一个硬质金属球（由于无法找到硬质防滑橡胶球，本方案中使用空心硬质金属球替代）。实物如下图所示。

图2 车体实际模型

当电机转动时，动力会由轮子传递到金属球上，再由金属球带动车体。两个轴的合速度是车体运动的前进速度。

电源

由三个18650锂离子电池串联起来作为单足自平衡机器人的电源，串联后的电压为10.8V, 满电时12.6V，经过L7805三端稳压管稳压到5V，为单片机以及系统的各个模块提供了稳定的电压，保证整个系统的正常工作。此外电源模块中还采用了AMS1117-3.3作为3.3V的的稳压芯片，将L7805输出的5V电压降为3.3V使用。

STEVAL-MKI062V2惯性侧量模块

这个系统中采用意法半导体推出的iNEMO第二代STEVAL-MKI062V2 惯性测量模块作为姿态检测，它将压力、温度传感器与加速度计、陀螺仪、磁力计结合起来，提供3轴线性感测，角和磁运动，此外还带有温度和气压/高度值测量，这些传感器可以为日后作扩展使用。

板载的LPR430AL两轴陀螺仪（横滚，俯仰），满量程300°/s，并具有模拟输出和可选滤波器，另外LSM303DLH六轴地磁传感器，其线性加速度满量程±2

g / ±4 g / ±8 g可选。系统中将会使用这两个传感器作为姿态检测。

图3 STEVAL-MKI062V2 惯性测量模块

直流电机驱动

系统中采用了L298电机驱动，该芯片是双H桥步进电机专用驱动芯片，内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个46V、2A以下的二相或1个四相步进电机，也可以同时驱动两个直流电机。这里利用L298内部的两个H桥电路来分别驱动两个直流电机。

编码器

车体在运动过程中，需要对速度进行采集，因此要采用编码器进行速度的测量，这里直接使用了FAULHABER 2342L012CR电机上的编码器，它是AB 相编码器，可以测量两个相位差为90°的脉冲，从而判定轮速和转向。由于该编码器内部没有整形电路，这里利用74HC14施密特触发器设计了一个编码器整形电路。AB相两个接收管分别到施密特触发器输入端，并接一个10K 上拉电阻。施密特触发器输出端直接和STM32的外部中断引脚连接。

软件结构框图

图4 软件结构框图