于強(qiáng)+許強(qiáng)+楊為民+何燕

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，與開源軟件一樣，開源硬件正成為一股不可忽視的顛覆性力量影響著科學(xué)探索和企業(yè)生產(chǎn)?；陂_源硬件的產(chǎn)品越來越深入到社會(huì)實(shí)踐中?；贏rduino的開源硬件技術(shù)，論文提出了一個(gè)兩輪直立自平衡機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案。它采用陀螺儀判斷小車的原有姿勢(shì)狀態(tài)，使用加速度傳感器計(jì)算車體的傾斜角度，采用Arduino處理數(shù)據(jù)和控制小車，用PID控制結(jié)合互補(bǔ)濾波融合加速度計(jì)和陀螺儀采樣信息，用PWM調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到車體的平衡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：小車可以自行保持直立，并且具有較好的回復(fù)平衡能力。該車可以作為進(jìn)一步驗(yàn)證各種控制算法的理想平臺(tái)，具有一定的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：Arduino；開源硬件；自平衡機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）34-8332-03

移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、微電子技術(shù)、材料技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)步而發(fā)展，同航天技術(shù)一樣，其發(fā)展水平甚至代表了一個(gè)國家的綜合科技實(shí)力[1]。兩輪自平衡機(jī)器人是基于欠驅(qū)動(dòng)，非線性以及無電狀態(tài)中不穩(wěn)定的系統(tǒng)，若使車體能夠在供電狀態(tài)下保持自身平衡，必然要保證車身重心始終和兩車輪重心處在同一中心軸線上。當(dāng)小車車身處于動(dòng)態(tài)平衡控制時(shí)，車身姿態(tài)傳感器模塊將測(cè)到的車身角速度值和加速度值經(jīng)過處理后傳到控制模塊，然后計(jì)算得到控制車身平衡的信號(hào)量，通過驅(qū)動(dòng)左右直流電機(jī)產(chǎn)生控制力矩用以調(diào)節(jié)左右車輪的速度和方向，從而使車身能夠恢復(fù)直立平衡狀態(tài)[2]。因而獲取準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的車身角速度值和加速度值是車身能夠完成平衡控制的前提。但是傳統(tǒng)的慣性傳感器模塊由于其電器特性，易受到溫度和噪聲的影響因而產(chǎn)生不同程度的誤差，使得單一的姿態(tài)傳感器模塊在車體姿態(tài)檢測(cè)中難以獲得準(zhǔn)確的位姿。為解決上述問題，目前多采用MPU-6050整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件獲取數(shù)據(jù)并通過控制模塊計(jì)算最優(yōu)姿態(tài)角度[3，4]。該文提出了一種基于Arduino開源硬件，采用PID控制的方法設(shè)計(jì)自平衡機(jī)器人。

1 Arduino

Arduino是一種獲得實(shí)際環(huán)境物理量的工具。它是個(gè)可編程的，基于AVR的微控制器的一個(gè)開源集成開發(fā)環(huán)境。Arduino可以用來開發(fā)交互產(chǎn)品，例如它可以獲得開關(guān)信號(hào)，以及各種傳感器信息，此外它還可以實(shí)現(xiàn)各種電燈、電機(jī)以及其他物理設(shè)備的智能控制。Arduino項(xiàng)目可以單獨(dú)運(yùn)行，當(dāng)然也能夠在自身運(yùn)行的同時(shí)和計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用程序（Flash，Processing，MaxMSP等）進(jìn)行通訊。Arduino板可以自己組裝或者直接買成品，相關(guān)的開源IDE可以免費(fèi)獲取。

適合用作交互式平臺(tái)的單片機(jī)或者單片機(jī)平臺(tái)有很多。比如有：Parallax Basic Stamp，MITs Handyboard，Netmedias BX-24，Phidgets或者其他能實(shí)現(xiàn)類似功能的。使用以上所述的工具，你的編程將變得簡(jiǎn)便得多，它們能提供給你一套容易的編程工具包。與此同時(shí)Arduino也簡(jiǎn)化了和單片機(jī)之間工作的流程，然而與其它系統(tǒng)相比，Arduino有不少優(yōu)越性，比如：便宜，跨平臺(tái)，簡(jiǎn)易的編程環(huán)境，軟件開源并可擴(kuò)展，硬件開源并可擴(kuò)展等。

2 自平衡機(jī)器人工作原理

為了保持機(jī)器的平衡，ARDUINO需要知道框架和地面之間的角度，以便于可以指揮電機(jī)以大約的速度和需要的方向運(yùn)行來防止機(jī)器摔倒。為了準(zhǔn)確測(cè)量自平衡機(jī)器人的傾斜角度，需要使用IMU（慣性測(cè)量單元）檢測(cè)它的旋轉(zhuǎn)速率和X軸方向的重力，主要硬件組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 慣性測(cè)量單元（IMU）

IMU是一個(gè)小的PCB板，它含有旋轉(zhuǎn)陀螺儀和電位計(jì)，每個(gè)部件測(cè)量角度的不同部分，如圖2。

有了從IMU測(cè)量的角度信息，ARDUINO可以決定用多大的速度和什么方向去啟動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。最簡(jiǎn)單的角度估計(jì)（和ARDUINO代碼）是用-90°到+90°范圍，0°視為水平，如果IMU測(cè)得的角度是0，那么電機(jī)停止；超過0度電機(jī)適當(dāng)?shù)那斑M(jìn)；低于0度電機(jī)相應(yīng)地反轉(zhuǎn)。這個(gè)機(jī)制使得自平衡機(jī)器人水平而且使你能夠通過前后傾斜去控制它的速度和方向。

2.2 操縱和加速

為了操縱這臺(tái)車，需要在手柄上裝一個(gè)電位計(jì)（絕對(duì)型角傳感器）在左右轉(zhuǎn)動(dòng)手柄時(shí)。如果儀表指在中心位置，電機(jī)收到相等的功率而向前直開。如果向左轉(zhuǎn)或向右轉(zhuǎn)，每個(gè)電機(jī)的最大速度相應(yīng)地收到影響，使得自平衡機(jī)器人轉(zhuǎn)彎。

2.3 啟動(dòng)開關(guān)

需要安裝一個(gè)按鈕式開關(guān)，當(dāng)它被按下時(shí)才可以操作機(jī)器。這個(gè)開關(guān)是手動(dòng)安裝在你的左手大拇指放的位置以便于如果你從自平衡機(jī)器人上下來或者什么其他的原因放開了手柄，它會(huì)馬上關(guān)閉電機(jī)。這也有一個(gè)角度限制去關(guān)閉電機(jī)，如果傾斜程度超過閾值。這個(gè)跌落安全機(jī)制使得自平衡機(jī)器人駕駛者相當(dāng)?shù)陌踩?/p>

2.4 加速度計(jì)

加速度計(jì)可以測(cè)量出慣性測(cè)量單元在地平線方向上所受的重力。如果這個(gè)慣性測(cè)量單元板子向左或者向右傾斜了，角度測(cè)量就會(huì)產(chǎn)生每個(gè)方向上相應(yīng)的值，如圖3、圖4[5]。

雖然該加速度計(jì)可以測(cè)量前后90°的傾角，但在實(shí)際應(yīng)用中，一般取到25°～30°就可以了，過大的傾角會(huì)使自平衡機(jī)器人進(jìn)入危險(xiǎn)駕駛狀態(tài)，這是不允許的。所以設(shè)計(jì)一個(gè)閾值，當(dāng)傾角超過此閾值時(shí)就關(guān)閉電機(jī)。

2.5 陀螺儀

陀螺儀能測(cè)量出慣性測(cè)量單元在某時(shí)刻移動(dòng)的快慢，即每秒移動(dòng)多少度。這個(gè)值是從慣性測(cè)量單元得到的模擬信號(hào)，需要把這個(gè)模擬值轉(zhuǎn)化成一個(gè)近似的角度值。想要知道陀螺儀旋轉(zhuǎn)得速度就需要知道變化的時(shí)間周期，并設(shè)置陀螺儀的起始點(diǎn)。

2.6 角度濾波

為了讓角度不受任何一個(gè)傳感器的缺點(diǎn)的影響，將兩個(gè)信號(hào)最好的部分結(jié)合起來。這里使用一種互補(bǔ)濾波器，就是加權(quán)平均值。由于加速度計(jì)受到的影響很多，所以它對(duì)最終角度值起的權(quán)重比較小。這里取陀螺儀=98%，加速度計(jì)=2%。endprint

3 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

脈沖寬度調(diào)制又被稱為PWM調(diào)制也即PWM技術(shù)，這種脈沖載波的脈沖持續(xù)時(shí)間（脈寬）在調(diào)制波的樣值的影響下改變的脈沖調(diào)制方式，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，如圖5。

脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。我們可以已使用高分辨率的計(jì)數(shù)器，用調(diào)制后的方波占空比來編碼任何一個(gè)模擬電平。PWM信號(hào)還依然是數(shù)字的，由于在任一瞬時(shí)，滿幅值的直流供電不是完全有（ON狀態(tài)），就是完全無（OFF狀態(tài)）。這樣，電壓或電流源作為一種通或斷的重復(fù)的脈沖序列被加到模擬負(fù)載上。負(fù)載上有直流供電是就是通，沒有直流供電是即為斷。我們可以說，假如帶寬足夠，我們可以用PWM編碼任何一個(gè)模擬值。

3.1 PWM調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

作為電機(jī)的調(diào)速實(shí)現(xiàn)部分，與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比PWM調(diào)速系統(tǒng)明顯有以下優(yōu)點(diǎn)：1） 因?yàn)镻WM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率高，利用電樞電感的濾波能力就可得到平穩(wěn)的直流電流，低速特性好。2） 由于快速響應(yīng)特性好，開關(guān)頻率高，有良好的魯棒性，可以獲取更寬的頻帶。3） 開關(guān)器件只在開關(guān)狀態(tài)工作，因此主電路的損耗較小，裝置的效率較高。PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)有一段歷史了，然而高速開關(guān)的缺乏導(dǎo)致其未能在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。但近年來，由于大功率開關(guān)器件的制造技術(shù)進(jìn)步，PWM調(diào)速系統(tǒng)又受到重視[6]。

PWM電調(diào)算是一種比較低級(jí)的自動(dòng)控制技術(shù)。所謂的低級(jí)就是精度低，為了提高控制精度，采用了PID控制[7]，如圖6所示。

4 PID控制

PID（比例-積分-微分）控制器的應(yīng)用歷史已有70多年了，在當(dāng)代的工業(yè)控制中應(yīng)用得極其廣泛。由于PID控制器原理簡(jiǎn)單，不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件就可以使用，使其成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。在自平衡車中，我們要控制一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就必須使用一個(gè)測(cè)量轉(zhuǎn)速的傳感器，獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息，并將結(jié)果反饋到控制路線上。應(yīng)用自動(dòng)控制的關(guān)鍵在于做出正確的測(cè)量和比較后，怎么樣才能最優(yōu)化地糾正系統(tǒng)，如圖7、圖8所示。

PID控制器是由比例單元（proportion）、積分單元（integration）和微分單元（differentiation）組成的。它的輸入e（t）和輸出u（t）之間的關(guān)系為：

5 結(jié)束語

兩輪直立自平衡機(jī)器人是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的復(fù)雜系統(tǒng)，是檢驗(yàn)各種控制方法處理能力的典型裝置，受到世界各國科學(xué)家的重視[8]。該文提出的基于Arduino的兩輪自平衡機(jī)器人設(shè)計(jì)采用了PWM，結(jié)合PID控制，相對(duì)于其他系統(tǒng)，成本更低，制作方便，軟件開源并可擴(kuò)展，硬件開源并可擴(kuò)展，有很廣的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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