兩輪自平衡巡線機(jī)器人是一個(gè)集自動(dòng)控制理論和動(dòng)力學(xué)理論于一體的復(fù)雜控制系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合、參數(shù)不確定性等特點(diǎn)，近年來(lái)已成為各種控制方法的實(shí)驗(yàn)對(duì)象和檢驗(yàn)平臺(tái)[1]。

    本文設(shè)計(jì)的兩輪自平衡巡線機(jī)器人主要依靠其自身的動(dòng)態(tài)平衡能力和自主巡線能力進(jìn)行運(yùn)作，以內(nèi)置的MEMS加速度傳感器和MEMS陀螺儀來(lái)判斷機(jī)器人所處的姿態(tài)角。通過(guò)高速的中央微處理器計(jì)算出適當(dāng)?shù)闹噶詈?，?qū)動(dòng)馬達(dá)達(dá)到平衡的效果，然后根據(jù)路徑傳感器檢測(cè)到的信號(hào)實(shí)現(xiàn)巡線自動(dòng)行走功能。
    多傳感器的信號(hào)融合是一項(xiàng)非常重要的研究?jī)?nèi)容，本文采用卡爾曼濾波的方法將陀螺儀和加速度傳感器的信號(hào)進(jìn)行融合，解決了在計(jì)算機(jī)器人的實(shí)時(shí)姿態(tài)角時(shí)遇到的噪聲干擾和最優(yōu)估計(jì)問(wèn)題[2],提高了姿態(tài)角的測(cè)量精度，為機(jī)器人的自平衡控制創(chuàng)造了條件。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 微控制器
    兩輪自平衡巡線機(jī)器人設(shè)計(jì)為輪式結(jié)構(gòu),硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    本系統(tǒng)采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的32位高性能微處理器MCF52255作為控制核心。MCF52255基于Coldfire V2內(nèi)核，具有512 KB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器、3個(gè)異步串口模塊(UART)、8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器、8通道/8位或4通道/16位脈沖調(diào)制模塊（PWM），系統(tǒng)時(shí)鐘頻率高達(dá)80 MHz。通過(guò)其豐富的I/O接口和內(nèi)部強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力可以很容易實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集和系統(tǒng)控制。

1.2 傾角和角速度檢測(cè)電路
    機(jī)器人的傾角和角速度檢測(cè)依靠加速度計(jì)和陀螺儀實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)中加速度計(jì)選用MMA7260芯片，它可以測(cè)量由地球引力作用或者物體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的加速度[3]。通過(guò)設(shè)置使MMA7260的各軸信號(hào)靈敏度調(diào)整為800 mV/g，將檢測(cè)到的模擬信號(hào)直接傳到MCF52255 的A/D轉(zhuǎn)換部分進(jìn)行測(cè)量。陀螺儀選用ENC-03，它可以輸出一個(gè)和角速度成正比的模擬電壓信號(hào)。MCF52255通過(guò)卡爾曼濾波算法對(duì)加速度計(jì)和陀螺儀的信號(hào)進(jìn)行融合，然后計(jì)算出較為準(zhǔn)確的姿態(tài)角。
1.3 路徑信號(hào)檢測(cè)電路
    機(jī)器人的路徑信號(hào)檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)巡線行走功能的前提[4]。本系統(tǒng)中為機(jī)器人提供的路徑信號(hào)是電磁信號(hào)，在規(guī)劃好的行走路線的中心線上鋪設(shè)一根通有100 mA、 20 kHz交變電流的漆包線，這樣在中心線的周圍便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場(chǎng)。在機(jī)器人的前方等間距安裝3個(gè)電磁傳感器，即可對(duì)機(jī)器人左右兩側(cè)以及中心線位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。路徑信號(hào)檢測(cè)電路如圖2所示。

1.4 運(yùn)動(dòng)控制電路
    采用2路軸編碼器和2路外部計(jì)數(shù)器來(lái)完成機(jī)器人左右兩輪的測(cè)速任務(wù)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用由MOSFET搭建而成的H橋電路[5]；MCF52255綜合姿態(tài)角信號(hào)、速度信號(hào)以及路徑信號(hào)后，產(chǎn)生4路PWM調(diào)速控制信號(hào)，此信號(hào)通過(guò)控制電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)來(lái)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自平衡與巡線行走功能。
2 姿態(tài)角測(cè)量過(guò)程
    姿態(tài)角的測(cè)量是兩輪自平衡巡線機(jī)器人設(shè)計(jì)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，單獨(dú)利用加速度計(jì)或者陀螺儀都不能得到可靠的姿態(tài)角來(lái)保證機(jī)器人平衡。加速度計(jì)的靜態(tài)測(cè)量準(zhǔn)確，但是容易受到動(dòng)態(tài)加速度的影響，不適合測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的傾角；陀螺儀雖然動(dòng)態(tài)性能良好，但是存在積分漂移誤差，不適合單獨(dú)長(zhǎng)時(shí)間工作[6]。為了解決以上測(cè)量問(wèn)題，本文采用卡爾曼濾波方法實(shí)現(xiàn)了加速度計(jì)信號(hào)和陀螺儀信號(hào)的數(shù)據(jù)融合，提高了該機(jī)器人的姿態(tài)角測(cè)量精度和控制精度。
   

3 軟件設(shè)計(jì)
    本文設(shè)計(jì)的自平衡巡線機(jī)器人的軟件主要有：(1)各傳感器信號(hào)的采集處理程序； (2)電機(jī)PWM程序；(3)機(jī)器人運(yùn)行控制程序(包括自平衡控制、速度控制、巡線控制)；(4)流程控制程序(包括程序初始化、狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)定)。其中，所有程序需要精確地執(zhí)行周期時(shí)間，因此采用周期中斷的方式實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人的主程序流程圖如圖3所示。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果
　為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的自平衡巡線機(jī)器人的平衡性能與巡線性能，搭建了以MCF52255為主控芯片的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
    利用上位機(jī)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)行性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)得機(jī)器人在初始運(yùn)行過(guò)程中的姿態(tài)角波形如圖4所示。其中有噪聲的波形為加速度計(jì)測(cè)得的傾角信號(hào)，此波形由于波動(dòng)過(guò)大，不能作為自平衡控制的參考信號(hào)；另一條相對(duì)平滑的波形是經(jīng)過(guò)卡爾曼信息融合后得到的姿態(tài)角信號(hào)，此信號(hào)稍有些滯后，影響機(jī)器人的響應(yīng)速度，也不能作為參考信號(hào)，實(shí)物測(cè)試結(jié)果也證明此時(shí)機(jī)器人晃動(dòng)明顯，不能實(shí)現(xiàn)自平衡控制。
    對(duì)卡爾曼數(shù)據(jù)融合算法中的陀螺儀和加速度計(jì)的信用權(quán)值進(jìn)行調(diào)整后,再次進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)測(cè)，并且在測(cè)量過(guò)程中人為地對(duì)機(jī)器人施加晃動(dòng)干擾，得到的姿態(tài)角波形如圖5所示。從圖5中可以看到此時(shí)的濾波效果很好，雖然人為地晃動(dòng)干擾使加速度計(jì)測(cè)得的傾角信號(hào)產(chǎn)生很多毛刺，但是濾波后的信號(hào)很平滑,且基本上沒(méi)有滯后，跟蹤性能比較理想。機(jī)器人的平衡控制程序可以采用此平滑波形作為姿態(tài)角的參考信號(hào)。實(shí)物測(cè)試結(jié)果也證明此時(shí)機(jī)器人可以完成預(yù)定的自平衡功能和巡線行走功能。

    本文設(shè)計(jì)了以MCF52255高性能微處理器為控制核心的兩輪自平衡巡線機(jī)器人的軟硬件系統(tǒng)。針對(duì)單獨(dú)使用陀螺儀或者加速度計(jì)都不能得到精準(zhǔn)姿態(tài)角信號(hào)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了卡爾曼數(shù)據(jù)融合算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠很好地實(shí)現(xiàn)自平衡功能和巡線行走功能，較高的姿態(tài)角測(cè)量精度為機(jī)器人的自平衡控制提供了可靠的姿態(tài)反饋，也為巡線行走功能的進(jìn)一步完善創(chuàng)造了條件，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
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