一种纵向两轮自平衡机器人及控制系统的制作方法

本发明涉及电动平衡车的技术领域，具体涉及一种纵向两轮自平衡机器人及控制系统。

背景技术：

两轮移动机器人分为同轴两轮(左右分布)和纵向两轮(前后分布)两种。同轴两轮移动机器人具有极强的灵活性且与两足机器人行走有很大的相似性，行业内相关的研究与应用比较多，但是纵向两轮的机器人自平衡的实现极具挑战性。由于纵向两轮平衡机器人是典型的自然不稳定体，在非控制的情况下会左右摆动，而实现自平衡比较困难，因此其平衡控制是一个比较复杂的过程。由于前后两轮结构是不稳定、多变量、非线性、强耦合系统，在实际应用中还存在许多问题待去解决。

目前国内外研究的重点主要集中在自平衡技术开发上，以及提高平衡稳定性的方法上。自平衡技术包括飞轮陀螺效应法、前轮转向法、重心调整法、反作用力矩法以及上述方法的结合。飞轮陀螺效应法是依靠飞轮陀螺效应产生的陀螺力矩保持稳定；前轮转向法是依靠控制机器人前轮的转向来保持稳定；重心调整法是依靠调整机器人重心来保持稳定；反作用力矩法是依靠驱动转子的反作用力矩来保持稳定。但目前这些方法都存在稳定性不高、能耗大、自主能力缺乏等弱点，且其控制系统设计过于复杂，难以快速地满足实用性要求。

技术实现要素：

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种纵向两轮自平衡机器人及控制系统。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种纵向两轮自平衡机器人，包括依次连接的车头部分、车身部分、车尾部分，还包括电控箱、前轮转向机构、前轮安装机构、前轮、后轮安装机构、后轮；

所述电控箱安装在车身部分的腔体内，用于安装电控及供电部件；

所述前轮转向机构安装在车头部分，用于传动前轮的转向运动；

所述前轮安装机构安装在前轮转向机构上，用于给前轮提供安装支架；

所述前轮安装在前轮安装机构上，用于作为机器人的承重轮以及改变机器人的转向；

所述后轮安装机构安装在车尾部分，用于给后轮提供安装支架。

进一步地，一种纵向两轮自平衡机器人控制系统，安装在如上所述的一种纵向两轮自平衡机器人上，包括：

主控制单元，安装在电控箱内，分别与双陀螺平衡部件、舵机驱动单元、后轮驱动单元、人机交互单元、信息检测单元、供电单元连接，用于控制机器人动作以及读取检测信号；

双陀螺平衡部件，安装在车身部分的内腔里，用于保持机器人的平衡；

舵机驱动单元，安装在车头部分，包括依次电连接的舵机、舵机驱动器，用于驱动前轮转向机构从而改变前轮转向的角度大小；

后轮驱动单元，安装在后轮安装机构，用于驱动后轮前进、后退以及刹车；

人机交互单元，安装在车头部分，用于显示电控系统的各种信息以及响应用户的操作输入；

信息检测单元，安装在机器人相应的检测位，分别与双陀螺平衡部件、舵机驱动单元、后轮驱动单元连接，用于检测机器人各种运动参数；

供电单元，安装在电控箱内，分别与双陀螺平衡部件、舵机及驱动模块、后轮驱动单元、人机交互单元、信息检测单元，用于给整个系统供电以及对电源进行管理。

进一步地，所述主控制单元包括：

微处理器，分别与信号调理电路、存储区域、工作指示器连接，用于实现机器人自平衡控制算法，用于数据处理和发送命令，用于与外部功能模块进行通信；

信号调理电路，用于各路传感器信号的滤波、放大和采集；

存储区域，用于保存初始化配置参数，实时记录操作过程中的状态数据；

工作指示器，用于指示系统成功运行或故障报警。

进一步地，所述双陀螺平衡部件包括：

两个飞轮，固定安装在车身部分，用于在高速自转时产生保持机器人平衡的陀螺力矩；

两个无刷电机，一对一地与两个飞轮安装连接，用于驱动两个飞轮高速自转；

无刷电调装置，分别与两个无刷电机电连接，用于调节无刷电机的转速；

飞轮同步偏转装置，用于实现两个飞轮以相反方向的同步偏转从而自平衡的陀螺力矩，同时抵消单飞轮效应存在的不利力矩；

飞轮偏转电机驱动单元，包括依次电连接的飞轮偏转电机、飞轮偏转电机驱动器，用于驱动飞轮同步偏转装置。

进一步地，所述供电单元包括依次连接的充电电池组、电源管理模块；

所述充电电池组，安装在电控箱内，用于提供直流电源给机器人；

所述电源管理模块，安装在电控箱内，用于管理与监测充电电池组。

进一步地，所述后轮驱动单元包括依次电连接的轮毂电机、轮毂电机驱动器；

所述轮毂电机，与所述后轮进行机械连接，用于驱动机器人后轮的前后运动；

所述轮毂电机驱动器，用于控制轮毂电机的启停、转速和刹车。

进一步地，所述信息检测单元包括：

飞轮转速检测传感器，分别与所述飞轮、所述信号调理电路连接，用于测量飞轮自转时的转速并将测量参数反馈到所述主控制单元；

飞轮偏转运动检测传感器，分别与所述飞轮偏转电机、所述信号调理电路连接，用于测量飞轮产生进动时偏转角度和角速度并将测量参数反馈到所述主控制单元；

姿态仪，安装在机器人上，与所述信号调理电路连接，用于测量纵向两轮平衡机器人侧向倾斜角度和角速度并将测量参数反馈到所述主控制单元；

后轮转速检测传感器，分别与所述轮毂电机、所述信号调理电路连接，用于测量后轮的转速并将测量参数反馈到所述主控制单元；

前轮转向角度检测传感器，分别与所述舵机、所述信号调理电路连接，用于测量前轮转向的角度和角速度并将测量参数反馈到所述主控制单元；

避障传感器，安装在车头部分的最前端，与所述信号调理电路连接，用于测量障碍物的距离并将测量参数反馈到所述主控制单元。

进一步地，所述人机交互单元包括高清摄像头、触摸屏、WIFI通信模块；

所述高清摄像头，安装在车头部分的最前端，与WIFI通信模块连接，用于获取路况以及障碍物信息等并将信息传输到WIFI通信模块；

所述触摸屏，与所述主控制单元连接，用于实时显示机器人整个状态信息，同时响应用户操作事件。

所述WIFI通信模块，分别与所述主控制单元、高清摄像头连接，用于回传机器人的状态信息至计算机或移动终端中，同时接收计算机或移动终端的命令与数据，包括TTL串口、USB接口；

所述TTL串口，通过协议转换等方式与所述主控制单元连接，用于将WIFI通信模块83接收到的电脑端或移动终端的控制命令转发给所述主控制单元，配置机器人的工作参数，同时回传机器人工作状态数据至计算机或移动终端；

所述USB接口，与高清摄像头的USB口连接，用于通过WIFI信号将高清摄像头图像传输至计算机或移动终端。

进一步地，所述微处理器包括依次连接的CPU核心、外设接口；

所述CPU核心，为ARM控制器，用于计算与控制机器人自平衡过程，用于采集与处理各路传感器数据，用于处理接收与发送的命令，用于ADC转换，用于产生不同频率、占空比的PWM波；

所述外设接口，用于CPU核心与外部功能模块之间的数据与命令传输，包括以下至少一种接口：

普通I/O口，分别与飞轮转速检测传感器、后轮转速检测传感器、前轮转向角度检测传感器、飞轮偏转运动检测传感器、避障传感器连接，用于获取飞轮转速检测传感器与后轮转速检测传感器的数字信号、前轮转向角度检测传感器与飞轮偏转运动检测传感器的模拟信号、避障传感器的脉冲信号；

光耦隔离I/O口，分别与无刷电调装置、轮毂电机驱动器、舵机驱动器、飞轮偏转电机驱动器连接，用于使能信号控制无刷电调装置、轮毂电机驱动器、舵机驱动器和飞轮偏转电机驱动器的；

UART接口，与姿态仪连接，用于读取姿态仪中机器人姿态信息与倾斜角速度数据，用于与WIFI通信模块以接收计算机或移动终端的命令或者回传机器人工作状态数据；

RS485接口，与触摸屏连接，用于与触摸屏的通信以实时显示机器人状态信息，同时响应用户操作事件。

进一步地，所述触摸屏包括：

命令操作区域，用于向所述微处理器发送相应的控制命令，包括系统复位按钮、飞轮启停按钮和机器人运动按钮等；

信息显示区域，用于显示机器人当前的工作状态信号；

配置区域，用于显示与设置各参数值。

进一步地，本发明实现自平衡与自主避障的工作流程如下：

(1)系统上电启动后，用户可通过计算机或移动终端或触摸屏，可读取与设置各项参数值；

(2)用户按下飞轮启停按钮，无刷电机驱动两个飞轮由静止开始加速运转，使两个飞轮朝相反的方向自转，直至两个飞轮超过特定转速且保持恒速运转，而飞轮自转的速度由飞轮转速检测传感器测量，然后由主控制单元实时显示在计算机或移动终端或触摸屏上；

(3)当飞轮达到恒速运转后，飞轮偏转电机自动开始旋转，通过飞轮同步偏转装置使两个飞轮同步朝相反方向产生进动，从而产生用于纵向两轮自平衡机器人自动平衡的陀螺力矩；

(4)主控制单元通过飞轮偏转运动检测传感器不断获取飞轮偏转的角度和角速度值，同时使飞轮来回地朝一个方向产生加大偏转运动的角速度，从而使产生的陀螺力矩不断增大，直至其大小能够抵抗令纵向两轮自平衡机器人产生倾斜的重力距为止；

(5)当纵向两轮自平衡机器人由倾斜状态运动到平衡位置时，主控制单元开始使飞轮减速地朝先前相反方向偏转，用于抵消纵向两轮自平衡机器人恢复过程中的惯性力矩，接着不断往复这一个过程，最终纵向两轮自平衡机器人将保持在平衡位置；

(6)在纵向两轮自平衡机器人受到一定程度的侧向冲击力或非对称负载时，纵向两轮自平衡机器人的平衡策略与步骤(1-5)类似；

(7)当按下机器人运动按钮后，用户可通过计算机或移动终端或触摸屏控制纵向两轮自平衡机器人前进还是后退，而运动速度可以由用户自行设置，由后轮转速检测传感器测量并实时显示在终端上；

(8)当避障传感器检测到运动方向有障碍物时，主控制单元上的工作指示器开始报警，然后，纵向两轮自平衡机器人根据障碍物的距离自行调整后轮驱动速度，同时通过舵机控制前轮转向机构转向来规避障碍物；

(9)转向的角度由障碍物距离和后轮驱动速度共同决定，而实际转向的角度和角速度由前轮转向角度检测传感器检测，供主控制单元进行算法处理。

本发明纵向两轮自平衡机器人基于双飞轮陀螺效应原理实现自平衡，其控制系统采用自适应控制算法以及通过在线辨识使模型逐渐接近实际，从而使纵向两轮自平衡机器人在受到一定程度侧向撞击力时可自动恢复到平稳状态，在承受一定程度非对称负载时可保持平稳状态，在遇到明显的障碍物时可实现自动避障，且具有功能响应速度快、修正力矩大、能耗低，噪声小的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种纵向两轮自平衡机器人的结构示意图；

图2是本发明一种纵向两轮自平衡机器人控制系统的结构示意图；

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种纵向两轮自平衡机器人，包括依次连接的车头部分、车身部分、车尾部分，还包括电控箱11、前轮转向机构12、前轮安装机构13、前轮14、后轮安装机构15、后轮16；

所述电控箱11安装在车身部分的腔体内，用于安装电控及供电部件；

所述前轮转向机构12安装在车头部分，用于传动前轮14的转向运动；

所述前轮安装机构13安装在前轮转向机构12上，用于给前轮14提供安装支架；

所述前轮14安装在前轮安装机构13上，用于作为机器人的承重轮以及改变机器人的转向；

所述后轮安装机构15安装在车尾部分，用于给后轮16提供安装支架。

如图1、图2所示，一种纵向两轮自平衡机器人及控制系统，安装在如上所述的一种纵向两轮自平衡机器人上，包括：

主控制单元，安装在电控箱11内，分别与双陀螺平衡部件、舵机驱动单元、后轮驱动单元、人机交互单元、信息检测单元、供电单元51连接，用于控制机器人动作以及读取检测信号；

双陀螺平衡部件，安装在车身部分的内腔里，用于保持机器人的平衡；

舵机驱动单元，安装在车头部分，包括依次电连接的舵机41、舵机驱动器，用于驱动前轮转向机构12从而改变前轮14转向的角度大小；

后轮驱动单元，安装在后轮安装机构15，用于驱动后轮16前进、后退以及刹车；

人机交互单元，安装在车头部分，用于显示电控系统的各种信息以及响应用户的操作输入；

信息检测单元，安装在机器人相应的检测位，分别与双陀螺平衡部件、舵机驱动单元、后轮驱动单元连接，用于检测机器人各种运动参数；

供电单元，安装在电控箱11内，分别与双陀螺平衡部件、舵机及驱动模块、后轮驱动单元、人机交互单元、信息检测单元，用于给整个系统供电以及对电源进行管理。

所述主控制单元包括：

微处理器，分别与信号调理电路、存储区域、工作指示器连接，用于实现机器人自平衡控制算法，用于数据处理和发送命令，用于与外部功能模块进行通信；

信号调理电路，用于各路传感器信号的滤波、放大和采集；

存储区域，用于保存初始化配置参数，实时记录操作过程中的状态数据；

工作指示器，用于指示系统成功运行或故障报警。

如图1、图2所示，所述双陀螺平衡部件包括：

两个飞轮31，固定安装在车身部分，用于在高速自转时产生保持机器人平衡的陀螺力矩；

两个无刷电机32，一对一地与两个飞轮31安装连接，用于驱动两个飞轮31高速自转；

无刷电调装置，分别与两个无刷电机32电连接，用于调节无刷电机32的转速；

飞轮同步偏转装置34，用于实现两个飞轮31以相反方向的同步偏转从而自平衡的陀螺力矩，同时抵消单飞轮陀螺效应存在的不利力矩；

飞轮偏转电机驱动单元，包括依次电连接的飞轮偏转电机33、飞轮偏转电机驱动器，用于驱动飞轮同步偏转装置34。

如图1、图2所示，所述供电单元51包括依次连接的充电电池组、电源管理模块；

所述充电电池组，安装在电控箱11内，用于提供直流电源给机器人；

所述电源管理模块，安装在电控箱11内，用于管理与监测充电电池组。

所述后轮驱动单元包括依次电连接的轮毂电机61、轮毂电机驱动器；

所述轮毂电机61，与所述后轮16进行机械连接，用于驱动机器人后轮16的前后运动；

所述轮毂电机驱动器，用于控制轮毂电机61的启停、转速和刹车。

如图1、图2所示，所述信息检测单元包括：

飞轮转速检测传感器71，分别与所述飞轮31、所述信号调理电路连接，用于测量飞轮31自转时的转速并将测量参数反馈到所述主控制单元；

飞轮偏转运动检测传感器75，分别与所述飞轮偏转电机32、所述信号调理电路连接，用于测量飞轮31产生进动时偏转角度和角速度并将测量参数反馈到所述主控制单元；

姿态仪，安装在机器人上，与所述信号调理电路连接，用于测量纵向两轮平衡机器人侧向倾斜角度和角速度并将测量参数反馈到所述主控制单元；

后轮转速检测传感器72，分别与所述轮毂电机61、所述信号调理电路连接，用于测量后轮16的转速并将测量参数反馈到所述主控制单元；

前轮转向角度检测传感器74，分别与所述舵机41、所述信号调理电路连接，用于测量前轮14转向的角度和角速度并将测量参数反馈到所述主控制单元；

避障传感器73，安装在车头部分的最前端，与所述信号调理电路连接，用于测量障碍物的距离并将测量参数反馈到所述主控制单元。

如图1、图2所示，所述人机交互单元包括高清摄像头81、触摸屏82、WIFI通信模块；

所述高清摄像头81，安装在车头部分的最前端，与WIFI通信模块83连接，用于获取路况以及障碍物信息等并将信息传输到WIFI通信模块83；

所述触摸屏82，与所述主控制单元连接，用于实时显示机器人整个状态信息，同时响应用户操作事件；

所述WIFI通信模块83，分别与所述主控制单元、高清摄像头81连接，用于回传机器人的状态信息至计算机或移动终端中，同时接收计算机或移动终端的命令与数据，包括TTL串口、USB接口；

所述TTL串口，通过协议转换等方式与所述主控制单元连接，用于将WIFI通信模块83接收到的电脑端或移动终端的控制命令转发给所述主控制单元，配置机器人的工作参数，同时回传机器人工作状态数据至计算机或移动终端；

所述USB接口，与高清摄像头81的USB口连接，用于通过WIFI信号将高清摄像头图像传输至计算机或移动终端。

如图1、图2所示，所述微处理器包括依次连接的CPU核心、外设接口；

所述CPU核心，为ARM控制器，用于计算与控制机器人自平衡过程，用于采集与处理各路传感器数据，用于处理接收与发送的命令，用于ADC转换，用于产生不同频率、占空比的PWM波；

所述外设接口，用于CPU核心与外部功能模块之间的数据与命令传输，包括以下至少一种接口：

普通I/O口，分别与飞轮转速检测传感器71、后轮转速检测传感器72、前轮转向角度检测传感器74、飞轮偏转运动检测传感器75、避障传感器73连接，用于获取飞轮转速检测传感器71与后轮转速检测传感器72的数字信号、前轮转向角度检测传感器74与飞轮偏转运动检测传感器75的模拟信号、避障传感器73的脉冲信号；

光耦隔离I/O口，分别与无刷电调装置、轮毂电机驱动器、舵机驱动器、飞轮偏转电机驱动器连接，用于使能信号控制(即输出PWM信号调节)无刷电调装置、轮毂电机驱动器、舵机驱动器和飞轮偏转电机驱动器的；

UART接口，与姿态仪连接，用于读取姿态仪中机器人姿态信息与倾斜角速度数据，用于与WIFI通信模块83以接收计算机或移动终端的命令或者回传机器人工作状态数据；

RS485接口，与触摸屏82连接，用于与触摸屏82的通信以实时显示机器人状态信息，同时响应用户操作事件。

如图1、图2所示，所述触摸屏82包括：

命令操作区域，用于向所述微处理器发送相应的控制命令，包括系统复位按钮、飞轮启停按钮和机器人运动按钮等；

信息显示区域，用于显示机器人当前的工作状态信号；

配置区域，用于显示与设置各参数值。

本发明实现自平衡与自主避障的工作流程如下：

(1)系统上电启动后，用户可通过计算机或移动终端或触摸屏，可读取与设置各项参数值；

(2)用户按下飞轮启停按钮，无刷电机驱动两个飞轮由静止开始加速运转，使两个飞轮朝相反的方向自转，直至其转速达到10000r/min以上且保持恒速运转(具体多少由配置参数值决定)，而飞轮自转的速度由采用旋转编码器的飞轮转速检测传感器测量，然后由主控制单元实时显示在计算机或移动终端或触摸屏上；

(3)当飞轮达到恒速运转后，飞轮偏转电机自动开始旋转，通过飞轮同步偏转装置使两个飞轮同步朝相反方向产生进动，从而产生用于纵向两轮自平衡机器人自动平衡的陀螺力矩；

(4)主控制单元通过飞轮偏转运动检测传感器不断获取飞轮偏转的角度和角速度值，同时使飞轮来回地朝一个方向产生加大偏转运动的角速度，从而使产生的陀螺力矩不断增大，直至其大小能够抵抗令纵向两轮自平衡机器人产生倾斜的重力距为止；

(5)当纵向两轮自平衡机器人由倾斜状态运动到平衡位置时，主控制单元开始使飞轮减速地朝先前相反方向偏转，用于抵消纵向两轮自平衡机器人恢复过程中的惯性力矩，接着不断往复这一个过程，最终纵向两轮自平衡机器人将保持在平衡位置；

(6)在纵向两轮自平衡机器人受到一定程度的侧向冲击力或非对称负载时，纵向两轮自平衡机器人的平衡策略与步骤(1-5)类似；

(7)当按下机器人运动按钮后，用户可通过计算机或移动终端或触摸屏控制纵向两轮自平衡机器人前进还是后退，而运动速度可以由用户自行设置，由后轮转速检测传感器测量并实时显示在终端上；

(8)当避障传感器检测到运动方向有障碍物时，主控制单元上的工作指示器开始报警，然后，纵向两轮自平衡机器人根据障碍物的距离自行调整后轮驱动速度，同时通过舵机控制前轮转向机构转向来规避障碍物；

(9)转向的角度由障碍物距离和后轮驱动速度共同决定，而实际转向的角度和角速度由前轮转向角度检测传感器检测，供主控制单元进行算法处理。

本发明纵向两轮自平衡机器人基于双飞轮陀螺效应原理实现自平衡，其控制系统采用自适应控制算法以及通过在线辨识使模型逐渐接近实际，从而使纵向两轮自平衡机器人在受到一定程度侧向撞击力时可自动恢复到平稳状态，在承受一定程度非对称负载时可保持平稳状态，在遇到明显的障碍物时可实现自动避障，且具有功能响应速度快、修正力矩大、能耗低，噪声小的优点。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。