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摘 要：自平衡两轮倒立摆是一种结构简单、体积小、运动灵活的轮式机器人，适用于狭小、危险的工作空间。本文阐述了自平衡两轮倒立摆机器人的整体设计方案，研究了基于PID控制的两轮自平衡倒立摆的控制系统，将平衡控制算法应用于机器人，在室内进行了倒立摆平衡的实验，能实现移动机器人在平衡状态下的自平衡控制的预期目标。
关键词：倒立摆；自平衡；PID控制
1绪论
现如今，随着控制技术、传感器技术、计算机技术的发展，特别是网络技术和图像信息处理技术的迅猛发展，移动机器人的研究己取得了丰硕的研究成果，其应用领域不断扩大，应用的复杂程度也越来越高。机器人技术的迅速发展，不但使传统工业生产的效率有了大幅度的提高，而且许多高级智能机器人己成为先进制造业中不可缺少的自动化装备，并以惊人的速度向军事、农业、服务业等领域渗透，在人类生活中产生了深远的影响[1]。而本文研究的自平衡两轮倒立摆就是其中的一个重要方向，它像传统倒立摆一样，本身是一个非线性、自然不稳定体，另一方面是在移动机器人理论研究和工程应用等方面都具有重要意义，同时对人工智能、控制论、机器人学也都具有积极的促进作用。
2两轮自平衡倒立摆硬件设计
目前，全世界范围内出现了非常多的两轮自平衡倒立摆的成功例子，有些已经运用到现实生活领域。Segway代步车是最优秀的例子[14]。segway的系统架构是有一定的参考价值的，但方案的细节需要重新考虑。而本论文的具体方案如下：
2.1传感器
倒立摆需要测量机器人的姿态，机器人前后俯仰的角度可以体现姿态。系统采用红外测距传感器，通过测量机器人前后方向两个点对地面的距离，通过几何关系得出倾斜角度。如图2.1所示，系统用两个红外测距来实现机器人倾斜角度的测量。红外测距可以得到a、b的值和c进行集合求解就可以得到Φ角度。
2.2控制器——MultiFLEX 2_AVR
系统使用MultiFLEX 2_AVR控制器完成传感器数据采集。
对照示意图2.2 MultiFLEX 2_AVR控制器，具体功能如下所示：
1、ATmega128@16MHz
2、6个机器人舵机接口，完全兼容Robotis Dynamixel AX 12+
3、8个R/C舵机接口
4、12个TTL电平的双向I/O口，GND/SIG/VCC三线制
5、8个AD转换器接口（0-5v）
6、2个Rs-422总线接口（可挂接1-127个422设备）
7、1个无源蜂鸣器
8、通过RS-232与上位机通讯，可选无线通讯模组
9、使用USB接口的AVR-ISP下载调试器[6]
2.3推进器——数字舵机（CDS5516）
系统使用CDS5516机器人舵机完成推进及转动控制。
如图2.3 数字式舵机（CDS5516）所示，该推进器（数字舵机）是一种集电机、伺服驱动、总线式通讯接口为一体的集成伺服单元，主要用于微型机器人的关节、轮子、履带驱动，也可以用于其它简单位置控制场合。
2.3两轮倒立摆搭建
上图中，两轮自平衡倒立摆主要由两个“轮腿”、两个连接红外传感器的连接臂、一个摆锤、控制器和一个连接两轮腿的“支撑梁”组成。
如图2.3 所示，首先使用结构件搭建好控制器的外壳，并在其四边的中心位置安装结构件以及相关连接件。两个轮腿安装在长边的两个结构件上，轮腿之间安装支撑梁。
两个传感器和连接臂安装在短边的两个结构件上，而摆锤则通过一个连接件与控制器外壳的一个长边相连接。
需要注意的是，摆锤在安装时最好使用调试器使舵机回位到平衡位置再竖直安装[16]。
2.4硬件平衡控制原理
如图2.2，a-b=Δh，当Δh>0说明机器人右倾斜，需要给一个顺时针的轮子转动ω；当Δh<0说明机器人左倾斜，需要给一个逆时针的轮子转动ω，因此得到的一个控制关系：ω=k*Δh，k是一个比例因子。只需调整控制的周期和k的参数就能够让机器人平衡下来。
3基于数字式PID算法的平衡控制
3.1数字式PID算法
PID调节，即“比例微分积分调节”，是自动控领域技术比较成熟而且应用最为广泛的一种调节方式。当可以建立精确数学模型的控制系统时，应用PID控制尤为适合，其具有结构简单、鲁棒性强的优点[17]。
数字式PID算法如下：
在本文中，uk对应的就是舵机的速度，ek对应的就是两个红外测距传感器读数与平衡位置读数的偏差值，这里使用“差分”的概念。其基本思想就是利用两个红外测距传感读数的“差值”作为偏差值，也就是PID的输入值。PID算法中最重要的是3个系数KP，KI和KD的确定[19]。
3.2控制算法实现
主流程中只进行硬件初始化和修改舵机模式，然后就执行while循环，该循环中什么都不做，只有一个1ms的延时，目的是不让主函数退出，让程序一直运行。
初次进入中断处理函数时，设定一个“是否对1号红外采样”的标志并设置为0，当该标志为0时，对1号红外采样，同时认为对2号红外采样完毕，读取2号红外的值（第一次时，实际上没有对2号红外采样执行完1次后，读取有效值），设置标志值为1。经过2.5ms后，再次进入中断处理函数，标志值为1，对2号红外采样，认为1号红外数据都已更新，所以进行PID调节，设置舵机速度。在经历 2.5ms进入中断处理函数后标志值为0，又开始对2号红外采样，读取1号红外的值并设置标志值为1.如此不断反复，就可以周期性地稳定获取两路红外测距传感器的值并进行PID调节。
4实验及分析
平衡实验是在实验室中进行的，分成两类实验，第一类是角度实验，第二类是实验平台介质实验。
在第一类角度试验中，我们分别以向左（右）偏转1度、2度、3度……（一直到无法自平衡为止）为开始点并计时，到倒立摆完成自平衡为止，记录自平衡所需时间。
由上可以得出结论，起始点偏转的角度越大，自平衡所需的时间越长，难度也相应的增加。同时发现向左向右的偏转对实验结果也有一定影响，猜测造成这样结果的原因与倒立摆的硬件组成有关系。
在第二组实验平台介质实验中，我们分别在不同介质的实验平台上以相同的偏转角度（向左2度）为开始点并计时，到倒立摆完成自平衡为止，记录自平衡所需时间。
由上可以得出结论，自平衡两轮倒立摆可以在大多数平台上完成自平衡实验，在摩擦系数较高的平面上，倒立摆更容易保持平衡，同时不同介质对红外线的反射能力也不尽相同，可能也会影响到实验的结果。
通过对比实验的结果可以发现，影响自平衡两轮倒立摆自平衡实现的主要因素分别是：起始的偏转角度、介质的摩擦系数、介质反射红外线的能力等。
5 结论
本文研究了一种基于PID算法来实现移动机器人的自平衡的控制策略，最后的实验结果证明了此控制策略能使移动机器人成功的保持平衡。基于PID算法的控制策略能够增强机器人自主平衡能力，提高了移动机器人的智能性。通过倒立摆平衡技术的服务型和娱乐型机器人，可以在比较狭窄的空间可以灵活运动，提供服务。另外，它体积小，结构简单、运动灵活、绿色环保，未来会很有市场。
参考文献
[1]（美）克萊格.机器人学导论.北京：机械工业出版社，2006，06.
[2] 郭彤颖，安冬.机器人学及其智能控制[M].北京：人民邮电出版社，2014，09：1-101
[3]（英）梅隆.机器人.上海：科学普及出版社，2008，08.
[4] 熊有伦.机器人技术基础.武汉：华中科技大学大学出版社，2011，01.
[5] 姚宪华，梁建宏.创意之星：模块机器人创新设计与竞赛.北京：北京航空航天出版社，2010，09.
关键词：倒立摆；自平衡；PID控制
1绪论
现如今，随着控制技术、传感器技术、计算机技术的发展，特别是网络技术和图像信息处理技术的迅猛发展，移动机器人的研究己取得了丰硕的研究成果，其应用领域不断扩大，应用的复杂程度也越来越高。机器人技术的迅速发展，不但使传统工业生产的效率有了大幅度的提高，而且许多高级智能机器人己成为先进制造业中不可缺少的自动化装备，并以惊人的速度向军事、农业、服务业等领域渗透，在人类生活中产生了深远的影响[1]。而本文研究的自平衡两轮倒立摆就是其中的一个重要方向，它像传统倒立摆一样，本身是一个非线性、自然不稳定体，另一方面是在移动机器人理论研究和工程应用等方面都具有重要意义，同时对人工智能、控制论、机器人学也都具有积极的促进作用。
2两轮自平衡倒立摆硬件设计
目前，全世界范围内出现了非常多的两轮自平衡倒立摆的成功例子，有些已经运用到现实生活领域。Segway代步车是最优秀的例子[14]。segway的系统架构是有一定的参考价值的，但方案的细节需要重新考虑。而本论文的具体方案如下：
2.1传感器
倒立摆需要测量机器人的姿态，机器人前后俯仰的角度可以体现姿态。系统采用红外测距传感器，通过测量机器人前后方向两个点对地面的距离，通过几何关系得出倾斜角度。如图2.1所示，系统用两个红外测距来实现机器人倾斜角度的测量。红外测距可以得到a、b的值和c进行集合求解就可以得到Φ角度。
2.2控制器——MultiFLEX 2_AVR
系统使用MultiFLEX 2_AVR控制器完成传感器数据采集。
对照示意图2.2 MultiFLEX 2_AVR控制器，具体功能如下所示：
1、ATmega128@16MHz
2、6个机器人舵机接口，完全兼容Robotis Dynamixel AX 12+
3、8个R/C舵机接口
4、12个TTL电平的双向I/O口，GND/SIG/VCC三线制
5、8个AD转换器接口（0-5v）
6、2个Rs-422总线接口（可挂接1-127个422设备）
7、1个无源蜂鸣器
8、通过RS-232与上位机通讯，可选无线通讯模组
9、使用USB接口的AVR-ISP下载调试器[6]
2.3推进器——数字舵机（CDS5516）
系统使用CDS5516机器人舵机完成推进及转动控制。
如图2.3 数字式舵机（CDS5516）所示，该推进器（数字舵机）是一种集电机、伺服驱动、总线式通讯接口为一体的集成伺服单元，主要用于微型机器人的关节、轮子、履带驱动，也可以用于其它简单位置控制场合。
2.3两轮倒立摆搭建
上图中，两轮自平衡倒立摆主要由两个“轮腿”、两个连接红外传感器的连接臂、一个摆锤、控制器和一个连接两轮腿的“支撑梁”组成。
如图2.3 所示，首先使用结构件搭建好控制器的外壳，并在其四边的中心位置安装结构件以及相关连接件。两个轮腿安装在长边的两个结构件上，轮腿之间安装支撑梁。
两个传感器和连接臂安装在短边的两个结构件上，而摆锤则通过一个连接件与控制器外壳的一个长边相连接。
需要注意的是，摆锤在安装时最好使用调试器使舵机回位到平衡位置再竖直安装[16]。
2.4硬件平衡控制原理
如图2.2，a-b=Δh，当Δh>0说明机器人右倾斜，需要给一个顺时针的轮子转动ω；当Δh<0说明机器人左倾斜，需要给一个逆时针的轮子转动ω，因此得到的一个控制关系：ω=k*Δh，k是一个比例因子。只需调整控制的周期和k的参数就能够让机器人平衡下来。
3基于数字式PID算法的平衡控制
3.1数字式PID算法
PID调节，即“比例微分积分调节”，是自动控领域技术比较成熟而且应用最为广泛的一种调节方式。当可以建立精确数学模型的控制系统时，应用PID控制尤为适合，其具有结构简单、鲁棒性强的优点[17]。
数字式PID算法如下：
在本文中，uk对应的就是舵机的速度，ek对应的就是两个红外测距传感器读数与平衡位置读数的偏差值，这里使用“差分”的概念。其基本思想就是利用两个红外测距传感读数的“差值”作为偏差值，也就是PID的输入值。PID算法中最重要的是3个系数KP，KI和KD的确定[19]。
3.2控制算法实现
主流程中只进行硬件初始化和修改舵机模式，然后就执行while循环，该循环中什么都不做，只有一个1ms的延时，目的是不让主函数退出，让程序一直运行。
初次进入中断处理函数时，设定一个“是否对1号红外采样”的标志并设置为0，当该标志为0时，对1号红外采样，同时认为对2号红外采样完毕，读取2号红外的值（第一次时，实际上没有对2号红外采样执行完1次后，读取有效值），设置标志值为1。经过2.5ms后，再次进入中断处理函数，标志值为1，对2号红外采样，认为1号红外数据都已更新，所以进行PID调节，设置舵机速度。在经历 2.5ms进入中断处理函数后标志值为0，又开始对2号红外采样，读取1号红外的值并设置标志值为1.如此不断反复，就可以周期性地稳定获取两路红外测距传感器的值并进行PID调节。
4实验及分析
平衡实验是在实验室中进行的，分成两类实验，第一类是角度实验，第二类是实验平台介质实验。
在第一类角度试验中，我们分别以向左（右）偏转1度、2度、3度……（一直到无法自平衡为止）为开始点并计时，到倒立摆完成自平衡为止，记录自平衡所需时间。
由上可以得出结论，起始点偏转的角度越大，自平衡所需的时间越长，难度也相应的增加。同时发现向左向右的偏转对实验结果也有一定影响，猜测造成这样结果的原因与倒立摆的硬件组成有关系。
在第二组实验平台介质实验中，我们分别在不同介质的实验平台上以相同的偏转角度（向左2度）为开始点并计时，到倒立摆完成自平衡为止，记录自平衡所需时间。
由上可以得出结论，自平衡两轮倒立摆可以在大多数平台上完成自平衡实验，在摩擦系数较高的平面上，倒立摆更容易保持平衡，同时不同介质对红外线的反射能力也不尽相同，可能也会影响到实验的结果。
通过对比实验的结果可以发现，影响自平衡两轮倒立摆自平衡实现的主要因素分别是：起始的偏转角度、介质的摩擦系数、介质反射红外线的能力等。
5 结论
本文研究了一种基于PID算法来实现移动机器人的自平衡的控制策略，最后的实验结果证明了此控制策略能使移动机器人成功的保持平衡。基于PID算法的控制策略能够增强机器人自主平衡能力，提高了移动机器人的智能性。通过倒立摆平衡技术的服务型和娱乐型机器人，可以在比较狭窄的空间可以灵活运动，提供服务。另外，它体积小，结构简单、运动灵活、绿色环保，未来会很有市场。
参考文献
[1]（美）克萊格.机器人学导论.北京：机械工业出版社，2006，06.
[2] 郭彤颖，安冬.机器人学及其智能控制[M].北京：人民邮电出版社，2014，09：1-101
[3]（英）梅隆.机器人.上海：科学普及出版社，2008，08.
[4] 熊有伦.机器人技术基础.武汉：华中科技大学大学出版社，2011，01.
[5] 姚宪华，梁建宏.创意之星：模块机器人创新设计与竞赛.北京：北京航空航天出版社，2010，09.