基于單片機Cubli自平衡機器人控制系統設計

胡帥 李艷 劉杰 王龍

摘要：本文對自平衡機器人進行理論分析，根據機器人控制系統的實際特點，設計了采用STM32單片機開發的Cubli自平衡機器人控制系統。該系統采用集成慣性輪、電機、傳感器陀螺義、編碼器和加速度計等傳感器作為機器人的傳感器和執行機構。機器人運行平穩，能夠滿足特種環境作業、教學研究的要求。

關鍵詞：自平衡機器人;單片機;控制系統

中圖分類號：TP242?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1672-9129（2020）04-0048-01

Abstract：In this paper， the self-balancing robot is analyzed theoretically. According to the actual characteristics of the robot control system， the Cubli self-balancing robot control system developed by STM32 microcontroller is designed. The system USES integrated inertial wheel， motor， sensor gyroscope， encoder and accelerometer as sensors and actuators. The robot runs smoothly and can meet the requirements of special environment operation， teaching and research.

Key words：self-balancing robot;Single chip microcomputer;Control system

Cubli自平衡機器人可通過內置的力矩發生裝置，能夠實現立方體機器人的跳躍運動。立方體機器人控制系統是一個多輸入多輸出的系統，該系統為強耦合的非線性系統，其控制方法一直是控制領域研究的熱點和難點[1]。本文設計的Cabli自平衡機器人由立方體本體、傳感器以及微處理器控制系統構成。在微處理器的控制下，立方體本體受到慣性輪加減速轉動產生的反作用力矩，傳感器將系統參數反饋到控制器實現立方體機器人的姿態控制。

1 Cubli自平衡機器人控制系統原理分析

從建模的角度看，立方體機器人由箱體和布置在箱體三個面上的慣性輪共四個剛體構成。分別以立方體角點o、立方體機器人的質心點c為原點，建立固定坐標系o-xyz、機體坐標系o-xbybzb和慣性輪坐標系o-xf yf zf，其中坐標軸xf、yf、zf分別指向慣性輪A、B、C的回轉軸線。

自平衡機器人中的自抗擾控制是以系統設定值、系統被控輸出和上一步算出的控制量為其輸入確定出新的控制量的控制方法。該方法主要由跟蹤微分器、擴張狀態觀測器和非線性狀態誤差反饋三部分構成。自抗擾的機理在于把作用于被控對象的所有不確定因素都歸結為擾動，用對象的輸入輸出數據對總擾動進行估計補償[2]。自抗擾控制器結構如圖1所示。

跟蹤微分器為輸入信號安排過渡過程，能降低初始階段對系統的沖擊、有效解決超調與快速性的矛盾，并增強控制器的適應性;擴張狀態觀測器是在狀態觀測器中把作用于開環系統的加速度實時作用量擴充為新的狀態變量，將原來的非線性控制系統變為線性的積分器串聯型控制系統，對系統的內擾和外擾進行動態估計補償，是自抗擾控制中的最核心技術。

2 系統結構設計

在機器人為立方體結構，在機器人的三個側面安裝有慣性輪，作為輔助輪。整個機器人電路部分有多個層面電路層疊構成。為了便于調試和顯示觀察，最上面一層設置為STM32F103單片機的核心系統以及顯示系統。系統配置彩色小型顯示屏用來顯示機器人的狀態參數。為保護各種高精度傳感器，在第二層放置各種傳感裝置，可以縮短與單片機的通訊距離提高信號質量，還能減少其他信號干擾，提高機器人的可靠性。第三層防止電池已經驅動裝置，布局上盡量均衡分布，平衡重心[3]。

3 控制系統設計

針對Cubli自平衡機器人的硬件平臺搭建問題，本系統采用基于STM32位單片機搭建機器人的主控模塊，主控模塊完成機器人的姿態解算、基于編碼器與姿態數據對電機控制飛輪使其保持平衡。Cubli有三個內置的轉輪，它們沿著不同的軸調整轉速和角動量，從而產生足夠的動力來保持立方體的平衡。Cubli機器人三個垂直表面的法線方向都被飛輪穩定起來，于是在三維空間里獲得了相當的穩定性[4]。反應輪作用是由電動馬達連接的轉輪，根據不同的旋轉速度向著慣性的反方向轉動，從而達到不倒翁的功能——懸停。反應輪轉動使一條邊線與底面接觸，達到單邊平衡的狀態，反應輪旋轉轉動，使單點站立平衡，達到了移動的目的。

Cubli自平衡機器人的硬件系統結構主要由STM32F103芯片作為主控芯片，同時配置加速度計和陀螺儀各一個，用來檢測機器人的運動姿態。系統設置有驅動電機以及配套的電機驅動器并配置有編碼器，可以精確測量機器人的運行速度，作為反饋量提供給單片機控制系統。

機器人的傾斜角度和角速度由速度計和陀螺儀進行檢測，然后由STM32單片機計算出實際的狀態。本設計中加速度計采用 MMA7260作為狀態測量芯片，將MMA7260檢測到的模擬信號接入STM32F103的A/D模塊，測量運動加速度。

4 結論

本文設計的基于STM32單片機的Cubli自平衡機器人，結構功能完善，系統穩定，可靠性高，方便快速改裝并且操作簡單。可代替人工進入環境惡劣或者危險區域，代替人們執行任務，能滿足各種不同環境的使用要求。同時該機器人能夠廣泛的應用于教育領域，激發學生的創造性和學習的積極性，具有一定的應用前景。

參考文獻：

[1]趙魯.基于STM32掃地機器人的設計與實現[J].國外電子測量技術，2018.11：100-103.

[2]殷盛潔.基于自抗擾技術的異步電動機速度控制[J].中國科技信息，2013.01：89-91.

[3]程玉凱.基于單片機控制的智能機器人系統設計[J].寧波職業技術學院學報，2011.5：1-4.

[4]李想，夏棚等.基于STM32 單片機的電纜探傷機器人系統設計[J].科學技術創新，2020，16：85-87.

作者簡介：胡帥（1998-），男，本科生，從事單片機應用開發方面的學習與研究。

通訊作者：劉杰（1988-）， 男， 湖北公安人，碩士研究生，實驗師，從事電力電子及智能控制技術研究