摘 要

双轮直立机器的研制最早出现于上世纪80年代，其涉及的专业领域非常丰富，具有非常强的综合性。包括微型计算机、自动化控制和人体工程等专业。在相关专业和技术蓬勃发展的今天，机器人技术已经不像多年前只停留在高端研究领域，而是上升到了应用层面。无论是工业生产、军事作战还是日常生活中，机器人技术都在扮演着越来越重要的角色。本次设计要求是完成控制系统方案分析与设计，实现基本的直立控制并分析其工作性能。

本文基于倒立摆的受力模型提出双轮直立机器人的控制方案并作出分析，证明可以通过改变两个轮子的运动状态实现系统的运动控制，将系统分为软硬件系统两个部分，利用MPU6050传感器模块对机器人倾斜角度和角速度进行检测，利用TSL1401扫描路面信息，同时利用测速元件对机器人行驶速度进行检测，并将所有这些信息反馈输出到微处理器MK60DN512VLQ10，通过PID控制算法得到系统运动控制量，输出PWM信号到BTN7960电机驱动电路，通过独立改变左右电机的转速，完成对双轮直立机器人行走过程的动态控制。在此基础上完成功能电路设计，控制器的硬件设计、控制软件开发及调试。

在控制系统设计完成后，经过对双轮直立机器人的制作、编程和调试，并在真实环境中运行，优化控制各个参数。最后通过实验测试，机器人能够以2m/s的速度完成直立行走，并且能通过CCD线性识别部分道路信息完成两轮差速转弯。此结果证明了本次论文设计的合理性，达到我们的期望值并且满足了设计要求。

关键词：双轮直立；陀螺仪传感器；嵌入式；PID控制

Abstract

Development of two-wheeled upright machines first appeared in the late 80 's, its areas of expertise are very experienced and very comprehensive. Including microcomputers, Automation control, and ergonomic professional. In related professional and technical flourish today, robot technology is not only on high-end research many years ago, but to the application level. Both industrial production and military operations but also in everyday life, Robotics are playing an increasingly important role.

This design is the complete control system analysis and design, and implement a basic vertical control and analyze its performance. This mechanical model of two-wheeled upright based on inverted pendulum robot control method and analysis, evidence can be achieved by changing the State of motion of two wheels of motion control system will system is divided into two parts, using MPU6050 sensor detection angle and angular velocity of the robot using TSL1401 scanned the road surface information, using detection speed of the robot speed components, MK60DN512VLQ10 and outputs all feedback to microprocessor and motion control by PID control algorithm system, PWM signal output to the BTN7960 motor drive circuit, through independent about changing the rotational speed of the motor, complete the dynamic control of two-wheeled robot upright walking. Complete the circuits on the basis of this design, the hardware design, software development and debugging.

Control system design is completed, after the production, programming and commissioning of two-wheeled upright robot, and run in a real environment, optimizing control parameters. Last experiment, the robot can be completed with 2m/s speed walking upright, and can be identified by CCD Linear portion of information to complete a two-wheel difference speed cornering. The reasonableness of results to prove this thesis, meets our expectations and meets the design requirements.

Key words: two-wheeled upright; gyro sensors; embedded System; PID control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 两轮直立机器人的研究意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文研究内容 4

第2章 方案论证与选择 5

2.1 方案论证 5

2.1.1 控制任务分解 5

2.1.2 理论分析 7

2.2 方案设计与比较 9

2.2.1 系统功能模块设计 9

2.2.2 核心模块方案比较 9

2.3 方案选择 10

第3章 系统硬件设计 12

3.1 主控模块设计 12

3.2 传感器模块设计 13

3.2.1 姿态检测模块设计 13

3.2.2 道路识别模块设计 15

3.2.3 车速反馈模块设计 15

3.3 电机驱动模块设计 16

3.4 电源模块设计 16

3.5 硬件系统总体结构 17

第4章 系统软件设计 18

4.1 主程序框架设计 18

4.2 中断程序设计 19

4.3 控制算法设计 20

第5章 分析与总结 21

参考文献 22

致 谢 23

第1章 绪论

随着科学技术的高速发展和人工智能的崛起，当今世界机器人技术已经越来越广泛的进入人类的生活，在各个领域内都有着机器人的利用，如机械制造，车辆运用，冶金，医疗等等行业。在军事上，随着机器人的广泛应用，世界各军事大国也在加紧对军用机器人的开发和应用。国家的科学技术发展水平一定程度上可以由智能机器人的研发水平来反映。于此同时，许多国家也陆续将机器人技术列为战略产业。我国近年来也逐渐在机器人研究领域上崭露头角，并且取得一定的成绩。

1.1 两轮直立机器人的研究意义  

移动机器人是机器人研究和应用领域的重要组成部分。其应用范围广泛，达到军事作战，小到日常生产。作为生产成本相对较高的机械工具，其必然会在生产应用领域发挥至关重要的作用。尤其是在自动化装配和装卸领域相比于人工劳动具有不可替代的效率提升。