基于arduino的两轮自平衡机器人设计与实现

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1、基于Arduino的两轮自平衡机器人设计与实现摘要：随着计算机技术的不断发展，与开源软件一样，开源硬件正成为一股不可忽视的颠覆性力量影响着科学探索和企业生产。基于开源硬件的产品越来越深入到社会实践中。基于Arduino的开源硬件技术，论文提出了一个两轮直立自平衡机器人的设计方案。它采用陀螺仪判断小车的原有姿势状态，使用加速度传感器计算车体的倾斜角度，采用Arduino处理数据和控制小车，用PID控制结合互补滤波融合加速度计和陀螺仪采样信息，用PWM调节电机运动，最终达到车体的平衡。实验结果表明：小车可以自行保持直立，并

2、且具有较好的回复平衡能力。该车可以作为进一步验证各种控制算法的理想平台，具有一定的应用前景。关键词：Arduino；开源硬件；自平衡机器人中图分类号:TP24文献标识码：A文章编号:1009-3044(2014)34-8332-03移动机器人技术随着计算机技术、软件技术、微电子技术、材料技术等相关领域的进步而发展，同航天技术一样，其发展水平甚至代表了一个国家的综合科技实力［1］。两轮自平衡机器人是基于欠驱动，非线性以及无电状态中不稳定的系统，若使车体能够在供电状态下保持自身平衡，必然要保证车身重心始终和两车轮重心处在同

3、一中心轴线上。当小车车身处于动态平衡控制时，车身姿态传感器模块将测到的车身角速度值和加速度值经过处理后传到控制模块，然后计算得到控制车身平衡的信号量，通过驱动左右直流电机产生控制力矩用以调节左右车轮的速度和方向，从而使车身能够恢复直立平衡状态［2］。因而获取准确实时的车身角速度值和加速度值是车身能够完成平衡控制的前提。但是传统的惯性传感器模块由于其电器特性，易受到温度和噪声的影响因而产生不同程度的误差，使得单一的姿态传感器模块在车体姿态检测中难以获得准确的位姿。为解决上述问题，目前多采用MPU-6050整合性6轴运动处

4、理组件获取数据并通过控制模块计算最优姿态角度［3,4］。该文提出了一种基于Arduino开源硬件，采用PID控制的方法设计自平衡机器人。1ArduinoArduino是一种获得实际环境物理量的工具。它是个可编程的，基于AVR的微控制器的一个开源集成开发环境。Arduin。可以用来开发交互产品，例如它可以获得开关信号,以及各种传感器信息，此外它还可以实现各种电灯、电机以及其他物理设备的智能控制。Arduino项目可以单独运行，当然也能够在自身运行的同时和计算机上的应用程序(Flash,Processing,MaxMSP等

5、)进行通讯。Arduino板可以自己组装或者直接买成品，相关的开源IDE可以免费获取。适合用作交互式平台的单片机或者单片机平台有很多。比如有：ParallaxBasicStamp,MIT'sHandyboard,Netmedia'sBX-24,Phidgets或者其他能实现类似功能的。使用以上所述的工具，你的编程将变得简便得多，它们能提供给你一套容易的编程工具包。与此同时Arduino也简化了和单片机之间工作的流程，然而与其它系统相比，Arduino有不少优越性，比如：便宜，跨平台，简易的编程环境，软件开源并可扩展，硬

6、件开源并可扩展等。2自平衡机器人工作原理为了保持机器的平衡，ARDUINO需要知道框架和地面之间的角度，以便于可以指挥电机以大约的速度和需要的方向运行来防止机器摔倒。为了准确测量自平衡机器人的倾斜角度，需要使用IMU（惯性测量单元）检测它的旋转速率和X轴方向的重力，主要硬件组成结构如图1所示。2.1惯性测量单元（IMU）IMU是一个小的PCB板，它含有旋转陀螺仪和电位计，每个部件测量角度的不同部分，如图2。有了从IMU测量的角度信息，ARDUINO可以决定用多大的速度和什么方向去启动两个电机。最简单的角度估计（和ARD

7、UIN0代码）是用-90°到+90°范围，0°视为水平，如果IMU测得的角度是0,那么电机停止；超过0度电机适当的前进；低于0度电机相应地反转。这个机制使得自平衡机器人水平而且使你能够通过前后倾斜去控制它的速度和方向。2.2操纵和加速为了操纵这台车，需要在手柄上装一个电位计（绝对型角传感器）在左右转动手柄时。如果仪表指在中心位置，电机收到相等的功率而向前直开。如果向左转或向右转，每个电机的最大速度相应地收到影响，使得自平衡机器人转弯。2.3启动开关需要安装一个按钮式开关，当它被按下时才可以操作机器。这个开关是手动安装在

8、你的左手大拇指放的位置以便于如果你从自平衡机器人上下来或者什么其他的原因放开了手柄，它会马上关闭电机。这也有一个角度限制去关闭电机,如果倾斜程度超过阈值。这个跌落安全机制使得自平衡机器人驾驶者相当的安全。2.4加速度计加速度计可以测量出惯性测量单元在地平线方向上所受的重力。如果这个惯性测量单元板子向左或者向右倾斜了，角度测量就会产