田嘯宇　陳揚(yáng)　張婷

【摘要】本文主要介紹了兩輪自平衡機(jī)器人的設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案。該方案以K60系列單片機(jī)作為系統(tǒng)控制處理器，采用陀螺儀、加速度儀傳感器對(duì)機(jī)器人進(jìn)行直立控制，運(yùn)用PID算法對(duì)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行差速控制確保平衡性能。文中將介紹機(jī)器人系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】自平衡 智能機(jī)器人 單片機(jī)

【基金項(xiàng)目】上海工程技術(shù)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（cs1524005）。

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）01-0247-02

1.引言

由于特殊的結(jié)構(gòu)，自平衡機(jī)器人適應(yīng)地形變化能力強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)靈活，可以勝任一些復(fù)雜環(huán)境里的工作。[1]但因兩輪自平衡小車的應(yīng)用最大的難點(diǎn)在于其平衡控制方面，所以本文針對(duì)該系統(tǒng)的基本平衡控制問(wèn)題設(shè)計(jì)了最佳控制方案，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)均實(shí)現(xiàn)了其對(duì)平衡控制，驗(yàn)證了控制效果。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)方案以K60系列中MK60N512VMD100微控制器為系統(tǒng)的主要控制單元。采用MMA7260三軸加速度計(jì)和ENC-03M做為檢測(cè)機(jī)器人模型直立姿態(tài)的傳感器，并通過(guò)AD采樣后以數(shù)字信號(hào)的形式反饋給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行PID運(yùn)算處理后對(duì)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)通過(guò)PWM的方式施加控制，使得車體自動(dòng)直立得到實(shí)現(xiàn)。然后在驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上疊加一個(gè)速度控制分量，加以使用光電編碼器檢測(cè)車輪速度，實(shí)現(xiàn)了車模速度的控制。

3.軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)研究的自平衡機(jī)器人軟件部分主要由加速度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、電機(jī)控制模塊、PID算法控制模塊三個(gè)部分構(gòu)成。

3.1MMA7260三軸加速度計(jì)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(tài)控制寄存器 1）、ADC0_RA（ADC 數(shù)據(jù)結(jié)果寄存器）即可實(shí)現(xiàn)對(duì)MMA7260三軸加速度計(jì)的數(shù)據(jù)采集。[2]以下為關(guān)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(jī)控制模塊

電機(jī)的控制采用PWM脈沖寬度調(diào)制控制，PWM信號(hào)通過(guò)L298放大后直接控制小型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩輪小車運(yùn)動(dòng)，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(fā)

}

3.3PID算法控制模塊

PID算法是控制小車自主平衡的關(guān)鍵，PID算法就是將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行控制。[3]此程序通過(guò)PID算法對(duì)機(jī)器人平衡系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化，使其抗干擾能力得到更好的提升。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文討論的是一種兩輪自平衡機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。從系統(tǒng)中關(guān)鍵的加速度傳感MMA7260芯片人手，對(duì)系統(tǒng)的硬件組成進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，在軟件方面主要針對(duì)系統(tǒng)的傳感器模擬信號(hào)輸入的讀人、電機(jī)控制信號(hào)的輸出以及控制算法的實(shí)現(xiàn)方面進(jìn)行了分析，并給出關(guān)鍵的程序段，所有軟硬件系統(tǒng)通過(guò)了調(diào)試運(yùn)行，證明系統(tǒng)組成是可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1]張偉民， 段曉明， 趙艷花.兩輪自平衡小車控制研究，《 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)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(tǒng)設(shè)計(jì)，機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，第 24 卷第3期2011年5月。

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

作者簡(jiǎn)介：

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