1766-L32BWA 移動式機器人在各行各業具有廣泛的應用，而輪式移動機器人由于具有結構簡單、可控性強、成本低等優點，成為移動式機器人研究的一個主要方向。自平衡機器人采用水平布置的兩輪結構，本身是一個不穩定體。也就是說，自平衡機器人在靜止狀態下，不能保持平衡，車體總是要向前或向后傾倒;而在運動狀態下，可以通過一定的控制策略使它達到動態平衡。
由于自平衡機器人具有內在不穩定性和結構靈活性，國內外機器人愛好者設計了多種結構、外觀各異的自平衡機器人，嘗試采用各種控制策略使其達到自平衡控制。通常這類機器人采用姿態傳感器檢測機器人車體的傾倒角度和傾倒角速度，根據當前機器人姿態控制伺服電機驅動電壓的轉向和轉速，從而使機器人保持平衡。該方式制作的自平衡機器人雖然控制性能良好，但成本高，不適合廣泛推廣。本文設計的機器人嘗試采用紅外測距傳感器測量車體與地面的距離，通過計算獲取機器人的姿態信息，進而實現機器人的自平衡。
1 系統結構
本文設計的自平衡機器人系統主要由機械行走裝置、控制系統和傳感器3部分組成，如圖1所示。
機械行走裝置主要由車體平臺、電機驅動器、直流無刷電機、齒輪減速機構和車輪組成。機器人采用48 V電池供電，通過DC-DC模塊轉換為5 V和24 V電壓。其中，5 V提供給控制系統和傳感器，24 V提供給電機驅動器。控制系統以ATmega128單片機為主控制芯片，通過SJA1000擴展CAN總線與電機驅動器通信。紅外測距傳感器的輸出是與距離成正比的模擬電壓值，輸入到單片機的A/D采樣端口進行處理，從而得到距離信息。機器人的系統結構框圖如圖2所示。
2 姿態信息獲取
機器人的姿態信息包括傾倒的角度和角速度。如圖3所示，機器人左右兩側水平位置各安裝有1個紅外測距傳感器，可以測量與地面之間的距離d1和d2。當機器人在豎直狀態時，左右傳感器距離差為零。當機器人傾倒時，距離差與傾倒角度θ成函數關系如下：
sin θ=(d2-d1)/D
其中，D為傳感器之間的距離。機器人在豎直動態控制時傾倒角度范圍較小，此時sinθ≈θ，即可由傳感器的距離信息得到機器人的傾倒角度。角速度可以通過θ對時間求導獲得。
選用的紅外測距傳感器為Sharp公司的GP2D12，輸出為0.4～2.4 V的模擬信號，對應的測量距離為10～80 cm。在同一溫度下，傳感器的輸出與測量結果呈良好的線性關系，可以滿足自平衡機器人的要求。
1766-L32BWA
Fanuc IC693MDL645E 24VDC 16PT Input Module S53
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