兩輪自平衡智能機器人的設計與制作

田嘯宇　陳揚　張婷

【摘要】本文主要介紹了兩輪自平衡機器人的設計系統方案。該方案以K60系列單片機作為系統控制處理器，采用陀螺儀、加速度儀傳感器對機器人進行直立控制，運用PID算法對兩個驅動馬達進行差速控制確保平衡性能。文中將介紹機器人系統硬件設計以及系統軟件設計的主要內容。

【關鍵詞】自平衡 智能機器人 單片機

【基金項目】上海工程技術大學大學生創新訓練項目（cs1524005）。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）01-0247-02

1.引言

由于特殊的結構，自平衡機器人適應地形變化能力強，運動靈活，可以勝任一些復雜環境里的工作。[1]但因兩輪自平衡小車的應用最大的難點在于其平衡控制方面，所以本文針對該系統的基本平衡控制問題設計了最佳控制方案，仿真實驗結合實際系統實驗均實現了其對平衡控制，驗證了控制效果。

2.系統硬件設計

本系統方案以K60系列中MK60N512VMD100微控制器為系統的主要控制單元。采用MMA7260三軸加速度計和ENC-03M做為檢測機器人模型直立姿態的傳感器，并通過AD采樣后以數字信號的形式反饋給單片機，單片機進行PID運算處理后對兩個驅動馬達通過PWM的方式施加控制，使得車體自動直立得到實現。然后在驅動馬達上疊加一個速度控制分量，加以使用光電編碼器檢測車輪速度，實現了車模速度的控制。

3.軟件設計

本次設計研究的自平衡機器人軟件部分主要由加速度傳感器數據采集模塊、電機控制模塊、PID算法控制模塊三個部分構成。

3.1MMA7260三軸加速度計AD采集

由于MK60N512VMD100芯片本身自帶AD采樣的I/O口，所以只需配置好所需的ADC寄存器ADC0_SC1A（ADC 狀態控制寄存器 1）、ADC0_RA（ADC 數據結果寄存器）即可實現對MMA7260三軸加速度計的數據采集。[2]以下為關鍵采樣程序段：

while （（ ADC0_SC1A & ADC_SC1_COCO_MASK ） ！= ADC_SC1_COCO_MASK）

{

}

result = ADC0_RA；

ADC0_SC1A &= ～ADC_SC1_COCO_MASK；

3.2電機控制模塊

電機的控制采用PWM脈沖寬度調制控制，PWM信號通過L298放大后直接控制小型直流電機驅動兩輪小車運動，主要的程序段如下：

if（speedValue>=0&&speedValue;<=1000）

{

FTM0_C6V=speedValue；

FTM0_SYNC|=FTM_SYNC_SWSYNC_MASK；//使能軟件觸發

}

3.3PID算法控制模塊

PID算法是控制小車自主平衡的關鍵，PID算法就是將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量，對被控制對象進行控制。[3]此程序通過PID算法對機器人平衡系統的穩定性進行優化，使其抗干擾能力得到更好的提升。

4.結束語

本文討論的是一種兩輪自平衡機器人運動控制系統。從系統中關鍵的加速度傳感MMA7260芯片人手，對系統的硬件組成進行了詳細的介紹，在軟件方面主要針對系統的傳感器模擬信號輸入的讀人、電機控制信號的輸出以及控制算法的實現方面進行了分析，并給出關鍵的程序段，所有軟硬件系統通過了調試運行，證明系統組成是可行的。

參考文獻：

[1]張偉民， 段曉明， 趙艷花.兩輪自平衡小車控制研究，《 自動化技術與應用 》，2011 年第 30 卷第 4 期。

[2]楊繼志，郭敬.基于 M M A 7260 兩輪自平衡小車控制系統設計，機電產品開發與創新，第 24 卷第3期2011年5月。

[3]劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真，電子工業出版社，2011年3月1日。

作者簡介：

田嘯宇（1995-），男，漢族，新疆阿克蘇人，在讀本科生，專業：電氣工程及其自動化。