一种自动控制的动态平衡双轮机器人及控制方法与流程

本发明涉及娱乐和机器人技术领域，尤其涉及一种通过自动控制可以实现动态平衡的双轮机器人及其控制方法。

背景技术：

目前出现的两轮自平衡小车均以两轮呈左右排布，这种排布的小车宽度较大，其排布方式并不适用于狭窄区域内灵活移动。而现有的自行车机器人虽然两轮前后排布，但其仅依靠前轮进行转向，后轮被动进行转弯，难以适应狭窄区域内高效灵活的转弯需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种转弯效率高，可以自动平衡而且能够在狭窄区域内灵活移动的双轮机器人。

本发明的另一目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于上述双轮机器人的控制方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种自动控制的动态平衡双轮机器人，主要包括前平衡板、后摇摆板、前惰轮、后惰轮、丝杆、丝杆固定座、丝杆电机、减速电机、连接块、传感器组、电池组和控制器。所述前惰轮与前平衡板连接，可绕前平衡板转动，所述后惰轮与后摇摆板连接，可绕后摇摆板转动。所述丝杆通过丝杆固定座安装在前平衡板上，丝杆的轴线与机器人的前进方向垂直，所述丝杆电机安装在丝杆上，与丝杆传动连接，通过丝杆电机的正反转可使丝杆电机在丝杆上往复移动，由于丝杆电机自身带有一定的重量，当丝杆电机在丝杆上移动时，会改变前平衡板的重心位置，使前平衡板向左或向右倾斜，从而实现通过改变前平衡板的重心达到转弯的目的。所述减速电机和电池组安装在后摇摆板上，连接块安装在前平衡板上，所述减速电机的输出轴与连接块固定，使前平衡板与后摇摆板建立连接，并在减速电机的驱动下摇摆前进。所述控制器安装在前平衡板上，分别与丝杆电机、减速电机、传感器组和电池组连接，用于控制减速电机，并接收传感器组的反馈数据。

作为本发明的优选方案，所述丝杆和丝杆电机均安装在前平衡板的底部位置，这样的设计有三个作用：一是增加前平衡板的重量，使其重心降低，并提高前惰轮与地面的摩擦力，有效提高双轮机器人转弯的稳定性；二是丝杆电机的移动会改变前平衡板的重心，使前平衡板向左或向右倾斜，减速电机驱动后摇摆板往相反的方向倾斜即可以实现高效转弯操作；三是通过控制丝杆电机在丝杆上的位置，就可以控制前平衡板重心的偏移量，从而控制双轮机器人的转弯半径，可以有效提高双轮机器人的转弯效率，使其在狭窄区域能够灵活、自由移动，直线前进时也可以通过丝杆电机配合减速电机的摆动幅度增加前进的动力，同时还可以节省时间，提高控制器的控制效率。

进一步的，所述丝杆和丝杆电机也可以安装在后摇摆板上，实现相同的功能，扩大双轮机器人的应用范围，降低双轮机器人的安装要求。

具体的，所述传感器组包括用于监测机器人姿势的第一陀螺仪和第二陀螺仪、用于测量惰轮转向角度的第一转角传感器和第二转角传感器、以及用于测量惰轮速度的第一转速传感器和第二转速传感器。所述第一陀螺仪和第二陀螺仪分别安装在前平衡板和后摇摆板上，在工作时，用于监测双轮机器人的摇摆姿态。所述第一转角传感器和第二转角传感器分别安装在前平衡板与前惰轮的连接处和后摇摆板与后惰轮的连接处，监测前惰轮和后惰轮的转动角度，用于转弯的辅助判断。所述第一转速传感器和第二转速传感器分别安装在前惰轮和后惰轮的转轴上，检测前惰轮和后惰轮的转速，用于判断机器人当前的车速及调整减速电机的转动频率。所述控制器分别与第一陀螺仪、第二陀螺仪、第一转角传感器、第二转角传感器、第一转速传感器和第二转速传感器连接，接收传感器的反馈数据，用于规划双轮机器人的运动路径，并协调丝杆电机和减速电机的输出。

进一步的，为了使双轮机器人能在狭窄区域内自由、高效地移动，所述传感器组还包括用于定位和导航的环境探测传感器，所述环境探测传感器安装在前平衡板的上面，与控制器连接，该环境探测传感器位于机器人的前端，便于快速识别前进方向的障碍物。该环境探测传感器主要用于探测机器人周围的障碍物，通过控制器的分析和处理，获得当前环境下可供移动的区域，并对机器人本身处于可移动区域的位置进行定位，通过分析和规划从而进一步获得双轮机器人在该区域内移动的最优路径。作为本发明的优选方案，该环境探测传感器可以采用深度相机对周围环境的信息进行采集，并反馈到控制器处进行处理。

作为本发明的优选方案，所述丝杆、丝杆电机、减速电机、连接块和电池组均安装在机器人的下方，这样设计降低了整机的重心，有利于提高双轮机器人在行驶中的稳定性和平衡性，同时给双轮机器人的上方留有更多可供使用的空间。

进一步的，所述减速电机和连接块的安装位置可互换，同样可以实现相同的功能，起相同的作用。

作为本发明的优选方案，所述前惰轮的转向轴线与前平衡板平面倾斜，所述后惰轮的转向轴线与后摇摆板平面倾斜。该倾斜结构可以实现前平衡板和后摇摆板在摆动时，前后惰轮受到压迫向特定方向转动，可以提高双轮机器人的转动效率的目的。

作为本发明的优选方案，所述减速电机采用运行稳定、控制精度高、抗过载能力强的伺服电机作为驱动。

本发明的另一目的通过下述技术方案实现：

一种自动控制的动态平衡双轮机器人的控制方法，该方法主要包括如下步骤：

步骤S1:双轮机器人上电启动，丝杆电机和减速电机复位，并使前平衡板和后摇摆板恢复到水平状态。

步骤S2:控制器与传感器通信并检测所有传感器(陀螺仪、转角传感器、转速传感器、环境探测传感器)是否正常，若出现故障，丝杆电机和减速电机则不工作，直到故障修复为止。

步骤S3:伺服电机和丝杆电机启动，根据控制器的指令工作，使双轮机器人保持平衡，并执行前进、加速和转弯操作。

其中，所述步骤S3还包括如下步骤：

步骤S31:当控制器检测到当前速度低于设定值时，则调整减速电机的输出，加快双轮机器人的摇摆频率和提高摆动幅度，以此来提高双轮机器人的速度。同时，通过丝杆电机调整前平衡板的重心位置来配合减速电机，有助于双轮机器人实现更快、更高效率的加速。

步骤S32:当环境探测传感器检测到前方有障碍物，需要执行转弯操作时，控制器则驱动丝杆电机移动到转向的一侧，使前平衡板向转弯一侧倾斜，伺服电机驱动后摇摆板向转向的另一侧倾斜，并锁定伺服电机使前平衡板和后摇摆板的姿态保持一定时间，直到转弯结束。

本发明的工作过程和原理是：本发明所提供的双轮机器人首先通过环境探测传感器检测并收集周围的信息，并对这些信号加以分析和处理，生成当前环境下最优的移动路径，或通过程序设定固定的运动路径；然后控制器通过减速电机驱动前平衡板和后摇摆板往相反的方向摆动，使机器人保持平衡并向前运动；当需要转弯时，控制器驱动丝杆电机向左或向右移动，使前平衡板向左或向右倾斜，减速电机配合丝杆电机驱动后摇摆板向相反方向倾斜并锁定一段时间，直到机器人完成转弯后，丝杆电机和减速电机才复位。本发明的结构简单、控制逻辑清晰，具有自动平衡、转弯效率高和移动灵活的优点。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明提供的双轮机器人重心低，能够有效提高摆动时的稳定性，显著改善机器人的平衡效果。

(2)本发明通过陀螺仪来监测双轮机器人的摆动状态，控制器时刻分析并调整减速电机的输出，让双轮机器人保持平衡状态。

(3)本发明采用深度相机作为探测周围环境的传感器，能有效感知周围环境的障碍物，为机器人移动路径的规划提供很好的帮助。

(4)本发明采用丝杆电机改变前平衡板重心的方法来实现双轮机器人高效转弯、直线提速的目的。

(5)本发明通过改变丝杆电机在前平衡板上的位置即可调整前平衡板的重心，丝杆电机的位移通过控制器来控制，可实现高精度控制。

附图说明

图1是本发明所提供的双轮机器人的底部的立体图。

图2是本发明所提供的双轮机器人的立体图。

图3是本发明所提供的双轮机器人控制框图。

图4是本发明所提供的双轮机器人的控制流程图。

上述附图中的标号说明：

1-丝杆固定座、2-丝杆电机、3-丝杆、4-前平衡板，5-第一转角传感器、6-前惰轮、7-第一转速传感器、8-电池组、9-控制器、10-第一陀螺仪、11-减速电机、12-电机座、13-连接块、14-第二陀螺仪、15-后摇摆板、16-第二转角传感器、17-后惰轮、18-第二转速传感器、19-环境探测传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

本方案所采用的TOF(Time of flight的简写，直译为飞行时间的意思)深度相机系统利用单片CMOS技术直接探测3D信息，系统体积小巧，扫描速度快，可应用于游戏和消费电子、多媒体和广告、移动机器人、工厂自动化、安防监控、汽车辅助驾驶等领域。该系统的原理是采用飞行时间法3D成像，即通过给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。这种技术跟3D激光传感器原理基本类似，只不过3D激光传感器是逐点扫描，而TOF相机则是同时得到整幅图像的深度信息。

实施例1：

如图1、图2和图3所示，一种自动控制的动态平衡双轮机器人，主要包括前平衡板4、后摇摆板15、前惰轮6、后惰轮17、丝杆3、丝杆固定座1、丝杆电机2、减速电机11、连接块13、传感器组、电池组8和控制器9。所述前惰轮6与前平衡板4连接，可绕前平衡板4转动，所述后惰轮17与后摇摆板15连接，可绕后摇摆板15转动。所述丝杆3通过丝杆固定座1安装在前平衡板4上，丝杆3的轴线与机器人的前进方向垂直，所述丝杆电机2安装在丝杆3上，与丝杆3传动连接，通过丝杆电机2的正反转可使丝杆电机2在丝杆3上往复移动，由于丝杆电机2自身带有一定的重量，当丝杆电机2在丝杆3上移动时，会改变前平衡板4的重心位置，使前平衡板4向左或向右倾斜，从而实现通过改变前平衡板4的重心达到转弯的目的。所述减速电机11安装在后摇摆板15上，连接块13和电池组8安装在前平衡板4上，所述减速电机11的输出轴与连接块13固定，使前平衡板4与后摇摆板15建立连接，并在减速电机11的驱动下摇摆前进。所述控制器9安装在前平衡板4上，分别与丝杆电机2、减速电机11、传感器组和电池组8连接，用于控制减速电机11，接收传感器组的反馈数据。

作为本发明的优选方案，所述丝杆3和丝杆电机2均安装在前平衡板4的底部位置，这样的设计有两个作用：一是增加前平衡板4的重量，使其重心降低，并提高前惰轮6与地面的摩擦力，有效提高双轮机器人转弯的稳定性；二是丝杆电机2的移动会改变前平衡板4的重心，使前平衡板4向左或向右倾斜，减速电机11驱动后摇摆板15往相反的方向倾斜即可以实现转弯操作；三是通过控制丝杆电机2在丝杆3上的位置，就可以控制前平衡板4重心的偏移量，从而控制双轮机器人的转弯半径，可以有效提高双轮机器人的转弯效率，使其在狭窄区域能够自由移动，直线前进时也可以通过丝杆电机2配合减速电机11的摆动幅度增加前进的动力，同时还可以节省时间，提高控制器9的控制效率。

进一步的，所述丝杆3和丝杆电机2也可以安装在后摇摆板15上，实现相同的功能。

具体的，所述传感器组包括用于监测机器人姿势的第一陀螺仪10和第二陀螺仪14、用于测量惰轮转向角度的第一转角传感器5和第二转角传感器16、以及用于测量惰轮速度的第一转速传感器7和第二转速传感器18。所述第一陀螺仪10和第二陀螺仪14分别安装在前平衡板4和后摇摆板15上，在工作时，用于监测双轮机器人的摇摆姿态。所述第一转角传感器5和第二转角传感器16分别安装在前平衡板4与前惰轮6的连接处和后摇摆板15与后惰轮17的连接处，监测前惰轮6和后惰轮17的转动角度，用于转弯的辅助判断。所述第一转速传感器7和第二转速传感器18分别安装在前惰轮6和后惰轮17的转轴上，检测前惰轮6和后惰轮17的转速，用于判断机器人当前的车速及调整减速电机11的转动频率。所述控制器9分别与第一陀螺仪10、第二陀螺仪14、第一转角传感器5、第二转角传感器16、第一转速传感器7和第二转速传感器18连接，接收传感器的反馈数据，用于规划双轮机器人的运动路径，并协调丝杆电机2和减速电机11的输出。

进一步的，为了使双轮机器人能在狭窄区域内自由、高效地移动，所述传感器组还包括用于定位和导航的环境探测传感器19，所述环境探测传感器19安装在前平衡板4的上面，与控制器9连接，该环境探测传感器19位于机器人的前端，便于快速识别前进方向的障碍物。该环境探测传感器19主要用于探测机器人周围的障碍物，通过控制器9的分析和处理，获得该环境内可供移动的区域，并对机器人本身处于可移动区域的位置进行定位，通过分析和规划从而进一步获得机器人在该区域内移动的最优路径。作为本发明的优选方案，该环境探测传感器19可以采用深度相机对周围环境的信息进行采集，并反馈到控制器9处进行处理。

作为本发明的优选方案，所述丝杆3、丝杆电机2、减速电机11、连接块13和电池组8均安装在机器人的下方，这样设计降低了整机的重心，有利于提高双轮机器人在行驶中的稳定性和平衡性。

进一步的，所述减速电机11和连接块13的安装位置可互换，同样可以实现相同的功能，起相同的作用。

作为本发明的优选方案，所述前惰轮6的转向轴线与前平衡板4平面倾斜，所述后惰轮17的转向轴线与后摇摆板15平面倾斜。该倾斜结构实现摇摆板摆动时，惰轮受到压迫向特定方向转动，可以提高双轮机器人的转动效率。

作为本发明的优选方案，所述减速电机11可以采用运行稳定、控制精度高、抗过载能力强的伺服电机。

如图4所示，本发明还公开了一种自动控制的动态平衡双轮机器人的控制方法，该方法主要包括如下步骤：

步骤S1:双轮机器人上电启动，丝杆电机2和减速电机11复位使前平衡板4和后摇摆板15恢复到水平状态。

步骤S2:控制器9与传感器通信并检测所有传感器(陀螺仪、转角传感器、转速传感器、环境探测传感器19)是否正常，若出现故障，丝杆电机2和减速电机11则不工作，直到故障修复为止。

步骤S3:伺服电机和丝杆电机2启动，并根据控制器9的指令工作，使双轮机器人保持平衡，执行前进、加速和转弯操作。

其中，所述步骤S3还包括如下步骤：

步骤S31:当控制器9检测到当前速度低于设定值时，则调整减速电机11的输出，加快双轮机器人的摇摆频率和提高摆动幅度，以此来提高双轮机器人的速度。同时，通过丝杆电机2调整前平衡板4的重心位置来配合减速电机11，有助于双轮机器人实现更快的加速。

步骤S32:当环境探测传感器19检测到前方有障碍物，需要执行转弯操作时，控制器9则驱动丝杆电机2移动到转向的一侧，使前平衡板4向转弯一侧倾斜，伺服电机驱动后摇摆板15向转向的另一侧倾斜，并锁定伺服电机使前平衡板4和后摇摆板15的姿态保持一定时间，直到转弯结束。

本发明的工作过程和原理是：本发明所提供的双轮机器人首先通过环境探测传感器19检测并收集周围的信息，并对这些信号加以分析和处理，生成当前环境下最优的移动路径；然后控制器9通过减速电机11驱动前平衡板4和后摇摆板15往相反的方向摆动，机器人保持平衡并向前运动；当需要转弯时，控制器9驱动丝杆电机2向左或向右移动，使前平衡板4向左或向右倾斜，减速电机11配合丝杆电机2驱动后摇摆板15向相反方向倾斜并锁定一段时间，直到机器人完成转弯后，丝杆电机2和减速电机11才复位。本发明的结构简单、控制逻辑清晰，具有自动平衡、转弯效率高和移动灵活的优点。

实施例2：

如图1至3所示，自平衡两轮双轮机器人由前平衡板4，丝杆电机2，丝杆3，丝杆固定座1，后摇摆板15、前惰轮6、后惰轮17、减速电机11、电池组8、电机座12、连接块13、惰轮转速传感器、惰轮转向角度传感器，环境探测传感器19以及控制器9等组成。

前平衡板4和后摇摆板15下面分别固定安装前惰轮6和后惰轮17。前惰轮6和后惰轮17的转向轴分别与前平衡板4和后摇摆板15的板面倾斜一个角度(不垂直)。减速电机11通过电机座12安装在前平衡板4的板面上。前平衡板4和后摇摆板15之间通过减速电机11的轴连接，能够绕着减速电机11的轴线作相对扭转，由减速电机11通过控制器9控制而实现，进而实现双轮机器人的前进、转弯和动态平衡。前平衡板4底面安装丝杆电机2，利用丝杆电机2位置变化来调整平衡板的姿态，同时配合减速电机11实现双轮机器人前进、转弯和动态平衡。前平衡板4和后摇摆板15各安装了陀螺仪检测其姿态信息,前惰轮6和后惰轮17上各安装有转速传感器，分别捡测前后惰轮17之滚轮的旋转速度。前后惰轮17的转向角度传感器分别检测前后惰轮17的转向角度，即其左右摆转时的角度位置。环境探测传感器19检测周围环境信息。控制器9接收这些传感信息，通过减速电机11控制后摇摆板15的摆动幅值和频率，进而通过后摇摆板15带动后惰轮17左右摇摆，为双轮机器人提供前进、转弯动力，并保持动态平衡。

丝杆3通过丝杆固定座1安装在前平衡板4底部，丝杆电机2在丝杆3上往复直线移动，双轮机器人通过调整丝杆电机2重心位置改变前平衡板4姿态。当然，丝杆电机2也可以通过丝杆3和丝杆固定座1安装在后摇摆板15上，实现同样的功能。前板陀螺仪和后板陀螺仪分别固定在前平衡板4和后摇摆板15上。减速电机11通过电机座12安装在前平衡板4下方，以降低整机的重心，有利于双轮机器人的稳定性和平衡性的控制。连接块13固定在后摇摆板15上。前平衡板4和后摇摆板15通过减速电机11和连接块13以串联的形式相互连接，形成绕电机轴的相对转动。当然，减速电机11也可以通过电机座12安装在后摇摆板15上而连接块13固定在前平衡板4上，实现同样的功能。前后惰轮17转向角度传感器分别紧套在前后惰轮17和轮轴上，外壳并分别安装在前后惰轮17支架上，感知惰轮转轮的转向角度。前后惰轮17转速传感器分别安装于前后惰轮17转盘上，感知惰轮的转速。前后惰轮17固定轴分别与前平衡板4和后摇摆板15固定连接，其固定轴分别与摇摆板倾斜一个角度(不垂直)。环境探测传感器19安装在前平衡板4上，用于检测周围环境。

结合图1至图4所示，前后板陀螺仪的检测信号、前后惰轮转向角度传感器的信号和前后惰轮转向角度传感器的信号的检测信号作为反馈信息传给控制器9。控制器9接受这些信号后，控制减速电机11旋转的速度和方向，同时控制丝杆电机2移动的方向和速度。从而对前平衡板4的姿态和后摇摆板15的往复摆动的频率、幅值、方向进行调整，实现双轮机器人前进和转弯等动作，并保持平衡。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。