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　　摘要：隨著計算機技術(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探索和企業(yè)生產(chǎn)�；�于開源硬件的產(chǎn)品越來越深入到社會實踐中。基于Arduino的開源硬件技術(shù)，論文提出了一個兩輪直立自平衡機器人的設(shè)計方案。它采用陀螺儀判斷小車的原有姿勢狀態(tài)，使用加速度傳感器計算車體的傾斜角度，采用Arduino處理數(shù)據(jù)和控制小車，用PID控制結(jié)合互補濾波融合加速度計和陀螺儀采樣信息，用PWM調(diào)節(jié)電機運動，最終達到車體的平衡。實驗結(jié)果表明：小車可以自行保持直立，并且具有較好的回復平衡能力。該車可以作為進一步驗證各種控制算法的理想平臺，具有一定的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞：Arduino,開源硬件,自平衡機器人

　　移動機器人技術(shù)隨著計算機技術(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國家的綜合科技實力 [1]。兩輪自平衡機器人是基于欠驅(qū)動，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。當小車車身處于動態(tài)平衡控制時，車身姿態(tài)傳感器模塊將測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，然后計算得到控制車身平衡的信號量，通過驅(qū)動左右直流電機產(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直立平衡狀態(tài)[2]。因而獲取準確實時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)檢測中難以獲得準確的位姿。為解決上述問題，目前多采用MPU-6050整合性6軸運動處理組件獲取數(shù)據(jù)并通過控制模塊計算最優(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)計自平衡機器人。

　　1 Arduino

　　Arduino是一種獲得實際環(huán)境物理量的工具。它是個可編程的，基于AVR的微控制器的一個開源集成開發(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，以及各種傳感器信息，此外它還可以實現(xiàn)各種電燈、電機以及其他物理設(shè)備的智能控制。Arduino項目可以單獨運行，當然也能夠在自身運行的同時和計算機上的應(yīng)用程序(Flash，Processing，MaxMSP等)進行通訊。Arduino板可以自己組裝或者直接買成品，相關(guān)的開源IDE可以免費獲取。

　　適合用作交互式平臺的單片機或者單片機平臺有很多。比如有：Parallax Basic Stamp，MIT’s Handyboard，Netmedia’s BX-24，Phidgets或者其他能實現(xiàn)類似功能的。使用以上所述的工具，你的編程將變得簡便得多，它們能提供給你一套容易的編程工具包。與此同時 Arduino也簡化了和單片機之間工作的流程，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，簡易的編程環(huán)境，軟件開源并可擴展，硬件開源并可擴展等。

　　2 自平衡機器人工作原理

　　為了保持機器的平衡，ARDUINO需要知道框架和地面之間的角度，以便于可以指揮電機以大約的速度和需要的方向運行來防止機器摔倒。為了準確測量自平衡機器人的傾斜角度，需要使用IMU(慣性測量單元)檢測它的旋轉(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 慣性測量單元(IMU)

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

　　有了從IMU測量的角度信息，ARDUINO可以決定用多大的速度和什么方向去啟動兩個電機。最簡單的角度估計(和ARDUINO代碼)是用-90° 到+90°范圍，0°視為水平，如果IMU測得的角度是0，那么電機停止;超過0度電機適當?shù)那斑M;低于0度電機相應(yīng)地反轉(zhuǎn)。這個機制使得自平衡機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

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

　　2.3 啟動開關(guān)

　　需要安裝一個按鈕式開關(guān)，當它被按下時才可以操作機器。這個開關(guān)是手動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器人上下來或者什么其他的原因放開了手柄，它會馬上關(guān)閉電機。這也有一個角度限制去關(guān)閉電機，如果傾斜程度超過閾值。這個跌落安全機制使得自平衡機器人駕駛者相當?shù)陌踩��?/p>

　　2.4 加速度計

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

　　雖然該加速度計可以測量前后90°的傾角，但在實際應(yīng)用中，一般取到25°～30°就可以了，過大的傾角會使自平衡機器人進入危險駕駛狀態(tài)，這是不允許的。所以設(shè)計一個閾值，當傾角超過此閾值時就關(guān)閉電機。

　　2.5 陀螺儀

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

　　2.6 角度濾波

　　為了讓角度不受任何一個傳感器的缺點的影響，將兩個信號最好的部分結(jié)合起來。這里使用一種互補濾波器，就是加權(quán)平均值。由于加速度計受到的影響很多，所以它對最終角度值起的權(quán)重比較小。這里取陀螺儀=98%，加速度計=2%。 　　3 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的實現(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，簡稱脈寬調(diào)制，如圖5。

　　脈沖寬度調(diào)制(PWM)是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。我們可以已使用高分辨率的計數(shù)器，用調(diào)制后的方波占空比來編碼任何一個模擬電平。 PWM信號還依然是數(shù)字的，由于在任一瞬時，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的脈沖序列被加到模擬負載上。負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編碼任何一個模擬值。

　　3.1 PWM調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)勢

　　作為電機的調(diào)速實現(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：1) 因為PWM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)的缺乏導致其未能在生產(chǎn)實際中推廣應(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)算是一種比較低級的自動控制技術(shù)。所謂的低級就是精度低，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，我們要控制一個電機的轉(zhuǎn)速，就必須使用一個測量轉(zhuǎn)速的傳感器，獲取電機的轉(zhuǎn)速信息，并將結(jié)果反饋到控制路線上。應(yīng)用自動控制的關(guān)鍵在于做出正確的測量和比較后，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

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

　　參考文獻：

　　[1] R.西格沃特， I.R.諾巴克什.自主移動機器人導論[M]. 李人厚，譯.西安：西安交通大學出版社，2006.

　　[2] 阮曉鋼.兩輪自平衡機器人的研究與設(shè)計[M].北京：科學出版社，2012.

　　[3] 趙蕊，賀建軍.多傳感器信息融合技術(shù)[J].計算機測量與控制，2006，15(9)：1124-1126.

　　[4] 黃漫國.多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究進展[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010，29(3)：5-8.

　　[5] 王海波，馮蓉珍，司俊，等.基于PWM調(diào)速的智能小車控制系統(tǒng)實現(xiàn)[J].科技廣場，2011(11).

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