两轮自平衡机器人-2019年精选文档

两轮自平衡机器人

0 引言

两轮自平衡机器人作为一种本征不稳定轮式移动机器人，具有多变量、非线性、强耦合和参数不确定等特点，这使得它成为验证各种控制算法的理想平台。同时它运动灵活、结构简单，适于在狭小的空间工作，有着广泛的应用前景。两轮自平衡机器人能够完成多轮机器人无法完成的复杂运动及操作，特别适用于工作环境变化大、任务复杂的场合。开展两轮自平衡机器人的研究对于提高我国在该领域的科研水平、扩展机器人的应用背景等具有重要的理论及现实意义。

1 系统总体结构

两轮自平衡机器人主要由车身和左右两个驱动轮组成，两个驱动轮的轴线位于同一条直线上，但由各自的电机独立驱动。机器人倾斜角度由姿态传感器检测，速度检测系统由霍尔传感器和编码器组成，为控制系统提供反馈信号。两轮自平衡机器人平衡控制的基本思想是：当测量倾斜角度的传感器检测到体产生倾斜时，控制系统根据测得的倾角产生一个相应的力矩，通过控制电机驱动两个车轮向车身要倒下的方向运动，以保持机器人自身的动态平衡。系统主要由以下几个模块组成：瑞萨RL78/G13 单片机最小系统、电源模块硬、姿态检测模块、电机驱动模块、速度检测模块，如图1所示。

图1 系统总体结构图

图2 平衡机器人力学模型图

2 平衡机器人力学模型

为了获得平衡机器人的平衡方程，需要分析其力学结构，平衡机器人的主要构成是车身和左右两个车轮，影响平衡的参数有：重心、质量、转动惯量、半径。建立力学模型，如图2所示。

假设平衡机器人为刚体，左右两轮完全对称，并且忽略车轮与地面之间的滑动与侧向滑动，以左轮和车身为研究对象得到如下方程：

左轮方程为：

■RLMRL=HTL-HL（1）

■RLJRL=GL+HTLR（2）

其中，xRL为水平位移；MRL为左车轮质量；HL为车身施加于车轮的水平作用力；HTL为地面对车轮的水平作用力；θRL为左轮相对于垂直分量的倾角；JRL为左轮相对于Z轴转动惯量；GL为左轮电机产生的扭矩；R为车轮半径。

车身的方程为：

■pMp=HL+HR（3）

■pMp=VL+VR-Mpg（4）

■pJpθ=（VL+VR）Lsinθp-（HL+HR）Lcosθp-（CL-CR）（5）

其中，xp为车身水平位移分量；yp为车身垂直位移分量；

Mp为车身质量；VL，VR为左右两轮施加于车身的垂直作用力；HL，HR为左右两轮施加于车身的水平作用力；L为质心距离车轴的距离；θp为车身对于y轴倾斜角；Jpθ为车身对于z轴的转动惯量；CL，CR为连接左右两轮的电机产生的扭矩。

当平衡机器人达到平衡状态时，sinθp≈θp，cosθp≈1；根据式（1）（2）（3）（4）（5），得到微分方程：■（6）

3 系统硬件设计

两轮自平衡机器人硬件主要由瑞萨RL78/G13 单片机最小系统电路、电源电路、陀螺仪模块、电机驱动电路、速度检测电路。

控制器采用瑞萨电子公司生产的RL78/G13 单片机，其主要性能参数有：内置高速片上振荡器时钟，频率最高可达32MHz，64KB的flash ROM，4KB的数据内存，4KB的RAM，支持自编程功能和On-chip调试功能，外设有定时器、ADC、SPI、IIC和UART 等。编译环境为Cubesuite+，可以使用Code generator功能进行设置自动生成代码，方便程序编写。

运动处理传感器采用MPU6050，它是全球首例9轴传感器，集成3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP，可用IIC接口连接一个第三方数字传感器，比如磁力计。MPU6050对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺

仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度计可测范围为±2，±4，±8，±16g。

电源电路采用5V线性直流稳压电路。由于RL78单片机电源电压1.6V-5.5V，因此采用5V电源电路供电。LM7805集成稳压器是常用的固定输出电压+5V的集成稳压器，最大输出电流为1.5A。它的内部含有限流保护、过热保护和过压保护电路，采用了噪声低、温度漂移小的基准源，工作稳定可靠。

速度通过霍尔传感器测量，小磁铁固定在转盘上，转盘与电机轴相连，同步转动，小磁铁通过霍尔传感器时，霍尔传感器产生一个相应的脉冲，计算出两个连续脉冲的间隔时间，就可以计算出被测转速。

直流电机驱动电路采用了L298N双H桥直流电机驱动芯片，驱动电机部分VIN采用+12V直流电池供电，同时模块上安装了LM7805稳压器对vin的输入进行稳压，逻辑部分VCC采用+5V供电，机器人运行时通过单片机向该模块1、2、3、4脚输入控制信息来控制机器人电机的转速，其原理图如图3所示。

4 系统软件设计

根据系统要求，需要完成的总体软件设计包括：单片机初始化，姿态信息采集，速度检测，直流电机PID控制算法，系统软件流程如图4所示。

图4 软件设计流程图