闡述了一種自平衡機器人的構成、控制系統的工作原理、硬件電路和控制算法。其系統結構主要由機械行走裝置、控制系統和傳感器三大部分組成，機械行走裝置主要由車體平臺、小型直流電機和左、右車輪組成。控制系統以C80511310單片機為核心，由電池模塊、電機驅動芯片及外圍電路組成。車體平臺位姿的監測采用傾角傳感器。通過對實物進行控制試驗，驗證了該系統的合理性和有效性。

1 前言

機器人是典型的機電一體化產品，它的制作涉及到計算機、控制論、機構學、傳感技術、人工智能、仿生學等眾多學科的知識，是機電一體化專業學生開展綜合知識訓練的最佳平臺。通過開展機器人的制作活動，能夠全面培養學生的動手能力、創造能力、團隊合作能力和進取精神。機器人制作比賽作為一種創新教育的戰略性手段已經逐漸被教育界的人們所認識。

自平衡機器人不同于一般車輪型機器人，其兩個車輪采用左右平行布置的結構，所以本身是一個自然不穩定體。也就是說自平衡機器人在靜止狀態下，不能保持豎立在垂直平衡位置，車體總是要向前或向后傾倒。但在運動狀態下，可以通過一定的控制策略來使它達到動態平衡。最近幾年，由于自平衡機器人內在的不穩定性和結構靈活性的特點，吸引了世界上許多機器人愛好者的興趣，制作了多種結構外觀各異的自平衡機器人，嘗試各種控制策略使其達到自平衡控制。通常這類機器人采用傾角傳感器、角速度（或加速度）傳感器組成姿態傳感器來檢測車體平臺的傾斜角度和傾倒速率，根據當前車體平臺的姿態，對直流伺服電機的驅動電壓的大小和方向實施控制，從而使車體保持平衡。該方式制作的自平衡機器人雖然控制性能良好，但成本昂貴，不適宜大學生自己開展課外制作。本文嘗試用價格低廉的普通小型直流電機作為行走機構的驅動器，僅采用傾角傳感器來檢測車體的狀態，輔助一部分低成本的電子元器件，構成小型自平衡機器人。文中敘述了該機器人的系統結構、硬件電路和控制算法。

2 系統構成

制作的自平衡機器人系統結構主要由機械行走裝置、控制系統和傳感器三大部分組成，其外觀和系統構成原理圖分別如圖1和圖2所示。 機械行走裝置主要由車體平臺、小型直流電機和左、右車輪組成。控制系統以C8051P310單片機為控制核心，由電池模塊、電機驅動芯片及外圍電路組成。其中電池模塊分為兩個模塊：模塊1提供8V和5V的電壓，分別為傳感器和單片機供電。模塊2采用可充電電池單獨為兩個直流電機提供6V的直流電壓，使硬件電路電源與電機電源隔離。這樣不僅滿足了電機對大電流的要求，而且排除了電機電壓波動對硬件電路供電穩定性的影響。傳感器為固體傾角傳感器，用來檢測車體平臺相對地面傾斜的角度。

整機平衡控制原理為：當車體偏離平衡位置（垂直位置）向前傾斜時，傳感器采集信號傳送到單片機進行判斷，車輪隨之做出響應向前運動，將車體向平衡位置調整；同樣當車體向后傾斜時，車輪將向后運動。這樣機器人一直處在傾斜判斷、運動調整的動態過程中，使車體始終保持在乎衡位置附近，達到一種動態平衡。

3 控制系統及傾角傳感器

控制系統以C80511310單片機為控制核心，根據傾角傳感器檢測到的車體傾角的大小和方向，按照一定的控制策略做出判斷，輸出電機控制信號，驅動直流電機運動，及時調整機器人的運行狀態，從而保持動態平衡。

3.1 C8051F310單片機

C8051F310單片機具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內核，是完全集成的混合信號片上系統（SOC）。它的內核采用流水線指令結構，70％指令的執行時間為1個或2個時鐘周期，當時鐘頻率為25MHz時，速度可達到25MIPS，遠高于同類型的其它單片機。在芯片內部集成了構成1個單片機數據采集或控制系統所需要的幾乎所以模擬和數字外設，主要包括：1個多通道ADC子系統、4個通用的16位定時器、4個8位的通用I/O端口、可編程交叉開關和16KB的Flash程序存儲器等。此外，在C8051F310單片機的編譯環境下，可以非常方便地進行狀態監控和在線調試，為平衡機器人初始平衡位置的確定提供了便捷的條件。基于C80511310控制器I/O口資源分配如圖3所示。

3.2 傾角傳感器

選用的傾角傳感器型號為UCB-1，有PWM和模擬電壓兩種輸出形式，其測量范圍是±40℃。由于采用無觸電結構，體積小，壽命長，可靠性高，特別適用于頻繁運動的場合，并且在同一溫度下，傳感器的輸出與輸入呈良好的線性關系。傾角傳感器垂直安裝在自平衡機器人的車體支撐板上，用于精確測量車體偏離平衡位置的角度，傾角傳感器的輸出電壓范圍是2.5～4.5V，經過信號調理電路后限制穩定在1.5～2.7V傳送至單片機。實踐證明，它可以提供精確的角度值，滿足自平衡機器人的要求。

4 系統軟件設計

整個系統的軟件可以分為外設初始化模塊、系統參數設置模塊、信號采集模塊、數字濾波和標度變換模塊、控制模塊五部分，軟件流程圖如圖4所示。參數設置功能模塊主要完成控制參數設置。數字濾波和標度變換模塊完成輸入信號的加權平均濾波和標度變換。

單片機初始化完成后，發出指令采集傾角傳感器信號，經過濾波和標度變換后，將轉換后的電壓值送人控制模塊進行比較判斷，比較時參照預先設定的平衡位置的電壓范圍，電壓值若處于平衡范圍內，單片機發出指令保持原平衡狀態；如果超出這個范圍，判斷傾角的方向，發出指令驅動電機正轉或反轉，向平衡范圍調整。整個系統不停地采集、比較判斷、調整，最終使系統始終保持在平衡范圍內。所有程序均采用Keil C51編寫，各模塊具有很好的獨立性和可讀性。

5 結論

本文利用價廉的元器件，以C8051F310單片機為控制器核心，制作出了低成本的自平衡機器人。通過對實物的控制試驗表明，該系統可以有效地控制在零點位置，在一定的角度范圍內達到平衡，從而驗證了系統設計的有效性和合理性。但是在試驗中也發現，機器人的穩定性和抗干擾性不是很理想。由于采用的是性能一般的不能調速的直流電機，它的響應速度較慢，當傾倒范圍過大時，機器人不能做出快速響應向平衡位置調整；而且如果機器人突然遇到外界擾動平衡被破壞時，機器人也很難重新調整到平衡狀態。另外，機器人的重心位置對穩定性也有很大影響，如重心過低，傾倒速度太快，很難有效控制，如重心過高則需要增大電機轉矩并且抗干擾性差。在下一步的制作和試驗中，采用能調速、響應快，性能更好一些的直流電機，以便克服不足之處，使自平衡機器人控制性能進一步完善。