本实用新型涉及电动车技术领域，尤其是涉及一种双轮自平衡机器人。
背景技术：
双轮自平衡机器人是一种特殊轮式移动机器人，具有多变量、非线性、强耦合、参数不确定性等动力学特性。通过各模块之间的协调工作，双轮自平衡机器人可以在无人干预条件下实现自主平衡，移动灵活。
但是，现有的双轮自平衡机器人在实现双轮自平衡机器人的直立稳定技术上尚未成熟，并且双轮自平衡机器人所采用的电子元器件的成本较高且程序设计相对复杂以及开发耗时长，导致市面上的双轮自平衡机器人的成本较高。
技术实现要素：
本实用新型实施例提供了一种双轮自平衡机器人，以解决现有的双轮自平衡机器人由于采用成本较高的电子元器件、程序设计复杂以及开发耗时长导致整体成本较高的技术问题，以保证双轮自平衡机器人实现稳定运行的同时，有效地降低双轮自平衡机器人的成本。
为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种双轮自平衡机器人，包括底板以及分别设于所述底板上的控制模块、测量模块、执行模块；
所述底板的一侧设有左轮，所述底板的另一侧设有右轮；所述执行模块包括用于驱动所述左轮的第一驱动电机、及用于驱动所述右轮的第二驱动电机，所述第一驱动电机固定连接在所述底板的底部的一侧上，所述第二驱动电机固定连接在所述底板的底部的另一侧上；
所述测量模块包括姿态传感器、用于测量所述左轮转角和转速的第一磁电编码器、及用于测量所述右轮转角和转速的第二磁电编码器；
所述控制模块包括微控制器和电机驱动芯片，所述微控制器的第一端与所述第一磁电编码器的输出端电连接，所述微控制器的第二端与所述第二磁电编码器的输出端电连接，所述微控制器的第三端与所述姿态传感器的输出端电连接，所述微控制器的第四端与所述电机驱动芯片的输入端电连接，所述电机驱动芯片的第一输出端与所述第一驱动电机的控制端电连接，所述电机驱动芯片的第二输出端与所述第二驱动电机的控制端电连接。
作为优选方案，所述双轮自平衡机器人还包括第一固定板和第二固定板，所述第一固定板上设有第一通孔，所述第二固定板上设有第二通孔；
所述第一驱动电机带有输出轴的一端固定在所述第一固定板上，且所述第一驱动电机的输出轴穿过所述第一通孔与所述左轮连接，所述第二驱动电机带有输出轴的一端固定在所述第二固定板上，且所述第二驱动电机的输出轴穿过所述第二通孔与所述右轮连接。
作为优选方案，所述第一通孔和所述第二通孔位于同一条直线上。
作为优选方案，所述双轮自平衡机器人还包括第一联轴器和第二联轴器，所述第一驱动电机的输出轴通过所述第一联轴器与所述左轮连接，所述第二驱动电机的输出轴通过所述第二联轴器与所述右轮连接。
作为优选方案，所述双轮自平衡机器人还包括电源模块，所述电源模块的第一输出端与所述微控制器的第五端电连接，所述电源模块的第二输出端与所述电机驱动芯片的电源端电连接。
作为优选方案，所述姿态传感器为MPU6050芯片。
作为优选方案，所述第一磁电编码器和所述第二磁电编码器均为霍尔永磁编码器。
作为优选方案，所述双轮自平衡机器人还包括用于接收智能终端无线信号的蓝牙模块，所述蓝牙模块的输出端与所述微控制器的第六端电连接。
作为优选方案，所述双轮自平衡机器人还包括顶板和若干个支撑架，所述顶板通过若干个所述支撑架连接在所述底板上。
作为优选方案，所述微控制器为STM32单片机。
相比于现有技术，本实用新型实施例的有益效果在于，通过所述微控制器作为中央处理器，所述姿态传感器实时检测所述底板的倾斜状态并将检测到的倾斜信号传输到所述微控制器，所述微控制器判断所述底板的倾斜角度并相应的发出指令到所述电机驱动芯片，以使所述第一驱动电机和所述第二驱动电机产生相应的力矩，从而使得所述左轮和所述右轮朝所述底板将要倾斜倒下的方向运动一定的距离，以抵消在这个维度上的倾斜力矩，从而保持双轮自平衡机器人的平衡，进而保证所述底板的动态平衡；同时，所述微控制器通过所述第一磁电编码器实时检测所述左轮的转角和转速，以及通过所述第二磁电编码器实时检测所述右轮的转角和转速，从而向所述电机驱动芯片发送指令以调节所述左轮和所述右轮的转速，进而维持所述双轮自平衡机器人的直立稳定；所述微控制器通过向所述电机驱动芯片发送脉冲，从而通过所述电机驱动芯片控制所述左轮和所述右轮的转动，以实现所述双轮自平衡机器人前进、后退和转向的功能。这样，相比于现有的双轮自平衡机器人由于采用成本较高的电子元器件、程序设计复杂以及开发耗时长导致整体成本较高，所述双轮自平衡机器人在实现稳定运行的同时，采用所述微控制器、所述电机驱动芯片等体积小、电子元器件价格低、可靠性高的硬件，不仅程序易开发，开发耗时少，而且后期修改程序方便，从而能够有效地降低双轮自平衡机器人的成本。
附图说明
图1是本实用新型实施例中的双轮自平衡机器人的结构示意图；
图2是本实用新型实施例中的双轮自平衡机器人的正视图；
图3是本实用新型实施例中的双轮自平衡机器人的电气控制图；
图4是本实用新型实施例中的双轮自平衡机器人的控制逻辑图；
图5a～5b展示了所述双轮自平衡机器人纠正倾斜角度的过程图；
其中，10、底板；101、第一固定板；12、第二固定板；11、左轮；12、右轮；13、第一驱动电机；14、第二驱动电机；15、顶板；151、支撑架；20、控制模块；201、微控制器；202、电机驱动芯片；21、测量模块；211、第一磁电编码器；212、第二磁电编码器；213、姿态采集模块；22、电源模块；23、蓝牙模块；24、执行模块。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
参见图1至图3，本实用新型优选实施例提供了一种双轮自平衡机器人，包括底板10以及分别设于所述底板10上的控制模块20、测量模块21、执行模块 24；所述底板10的一侧设有左轮11，所述底板10的另一侧设有右轮12；所述执行模块24包括用于驱动所述左轮11的第一驱动电机13、及用于驱动所述右轮 12的第二驱动电机14，所述第一驱动电机13固定连接在所述底板10的底部的一侧上，所述第二驱动电机14固定连接在所述底板10的底部的另一侧上；所述测量模块21包括姿态传感器213、用于测量所述左轮11转角和转速的第一磁电编码器211、及用于测量所述右轮12转角和转速的第二磁电编码器212；所述控制模块20包括微控制器201和电机驱动芯片202，所述微控制器201的第一端与所述第一磁电编码器211的输出端电连接，所述微控制器201的第二端与所述第二磁电编码器212的输出端电连接，所述微控制器201的第三端与所述姿态传感器213的输出端电连接，所述微控制器201的第四端与所述电机驱动芯片202的输入端电连接，所述电机驱动芯片202的第一输出端与所述第一驱动电机13的控制端电连接，所述电机驱动芯片202的第二输出端与所述第二驱动电机14的控制端电连接。
在本实用新型实施例中，通过所述微控制器201作为中央处理器，所述姿态传感器213实时检测所述底板10的倾斜状态并将检测到的倾斜信号传输到所述微控制器201，所述微控制器201判断所述底板10的倾斜角度并相应的发出指令到所述电机驱动芯片202，以使所述第一驱动电机13和所述第二驱动电机14产生相应的力矩，从而使得所述左轮11和所述右轮12朝所述底板10将要倾斜倒下的方向运动一定的距离，以抵消在这个维度上的倾斜力矩，从而保持双轮自平衡机器人的平衡，进而保证所述底板10的动态平衡；同时，所述微控制器201 通过所述第一磁电编码器211实时检测所述左轮11的转角和转速，以及通过所述第二磁电编码器212实时检测所述右轮12的转角和转速，从而向所述电机驱动芯片202发送指令以调节所述左轮11和所述右轮12的转速，进而维持所述双轮自平衡机器人的直立稳定；所述微控制器201通过向所述电机驱动芯片202发送脉冲，从而通过所述电机驱动芯片202控制所述左轮11和所述右轮12的转动，以实现所述双轮自平衡机器人前进、后退和转向的功能。这样，相比于现有的双轮自平衡机器人由于采用成本较高的电子元器件、程序设计复杂以及开发耗时长导致整体成本较高，所述双轮自平衡机器人在实现稳定运行的同时，采用所述微控制器201、所述电机驱动芯片202等体积小、电子元器件价格低、可靠性高的硬件，不仅程序易开发，开发耗时少，而且后期修改程序方便，从而能够有效地降低双轮自平衡机器人的成本。
在本实施例中，应当说明的是，当所述双轮自平衡机器人不工作时，无论所述底座前倾或者后倾，所述左轮11和所述右轮12均不发生转动，所述底座的前后倾斜摆动与所述左轮11和所述右轮12的转动时相互独立的。当所述双轮自平衡机器人工作时，所述电源模块22为所述微控制器201和所述电机驱动芯片202 提供电源，所述双轮自平衡机器人的状态变化有前进、静止、后退、转向等运动方式，所述姿态传感器213能够对所述底板10的倾斜状况进行实时检测并将得到的检测数据发送给所述微控制器201，所述微控制器201接收到数据后，向所述电机驱动芯片202发送相应的指令，从而对所述左轮11、所述右轮12进行适当的控制，进而抵消在这个维度上的倾斜力矩，便可以保持双轮机器人的平衡。
在本实用新型实施例中，所述微控制器201为STM32单片机。本实施例的所述微控制器201采用STM32F103C8T6单片机，STM32F103C8T6单片机采用 ST意法半导体公司生产的32位多功能、低成本和低功耗的单片机， STM32F103C8T6单片机的内核采用ARM公司最新生产的Cortex M3架构，最高工作频率可达72MHz，运算速度可达1.25DMIPS/MHz，片上64KB的闪存、20KB RAM，拥有7个定时器。STM32F103C8T6单片机上集成通信接口有2个IIC、3 个USART、2个SPI、1个CAN和1个USB。所述STM32F103C8T6单片机的可靠性高，程序易开发，开发耗时少，且后期修改程序方便，从而能够有效地降低双轮自平衡机器人的成本。
可以理解的，所述微控制器201上的2个PWM输出端，用于发送控制信号至所述电机驱动芯片202，以控制所述第一驱动电机13、所述第二驱动电机14 的转动；所述微控制器201的4个gpio端用于分别控制所述第一驱动电机13、所述第二驱动电机14的正反转与停止；所述微控制器201的2个IIC模拟gpio端，用于控制获取所述姿态传感器213的数据；所述微控制器201的4个编码器输入端口，所述第一磁电编码器211使用了定时器的编码器模式，需连接到定时器的TIM2 CH1和TIM2 CH2端口(即PA0、PA1的端口)；同理，所述第二磁电编码器212使用了定时器的编码器模式，使用的端口为TIM4 CH1和TIM4 CH2 端口(即PB6、PB7的端口)；所述微控制器201的2个蓝牙模块23端口，主要用于接收和发送手机遥控的无线蓝牙信号，分别连接至所述微控制器201的 PB10、PB11引脚上。
优选的，所述姿态传感器213为MPU6050芯片。MPU6050芯片为全球首例整合性六轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器的轴间差问题，减少了大量的包装空间以及计算误差。MPU6050芯片对陀螺仪和加速度计分别用了3个16位的ADC，将其测得的模拟量转化为可输出的数字量。 MPU6050芯片的对运动状态的检测比较灵敏，可对快速和慢速的动作进行准确的跟踪，使用者可对传感器的测量范围进行设置，陀螺仪的测量范围为±2000° /秒(dps)，加速度计的测量范围为±2g、±4g、±8g、±16g。一个片上的FIFO 有1024字节，起到降低系统功耗的作用。MPU6050芯片的通信采用的接口为 400MHz的IIC。另外，片上内嵌了温度传感器和在工作环境下仅有变动的振荡器。
此外，MPU6050芯片的工作电压为3.3V。MPU6050芯片的VLOGIC引脚的作用是为IIC输出提供逻辑电平，XDA和XCL用于外接其他IIC接口传感器，本次设计中不用。SDA和SCL连接到单片机，INT产生终端信号，连接至单片机。AD0接地。MPU6050综合利用了陀螺仪和加速度计的特点，优势互补获得较准确的姿态角度。在本实施例中，通过所述测量模块21的所述姿态传感器213 的姿态数据输出表示，作为系统的状态量，姿态运动学方程作为滤波的状态转移方程，加速度信息作为滤波的观察量信息，然后利用卡尔曼滤波的计算方法迭代计算更新，从而可得到精度较高，且不漂移的三轴角度。
优选的，所述电机驱动芯片202为TB6612FNG芯片，相比于L298N模块， TB6612FNG芯片在效率上有更显著提高，而且体积也变得更小，其大小与壹圆硬币相当，TB6612FNG芯片内部电路是MOSFET的H桥集成电路，效率远高于晶体管H桥驱动器。相比于L298N模块的热耗性和外围二极管续流电路，它无需外加散热片，外围电路简单，只需外接电源滤波电容就可以直接驱动电机，系统尺寸大幅减小。
在本实用新型实施例中，所述第一磁电编码器211和所述第二磁电编码器 212均为霍尔永磁编码器。所述霍尔永磁编码器包括但不限于61302H2系列霍尔永磁编码器。所述霍尔永磁编码器为两通道增量式磁电编码器，可以直接固定于电机尾部电源脚上，磁栅固定到电机尾轴上。所述霍尔永磁编码器包含一个磁栅和两个磁敏检测传感器，输出两个通道正交相位角90°的方波。所述霍尔永磁编码器响应速度快，抗震性强，传输距离远，即使在恶劣的环境下，所述霍尔永磁编码器具有较长的使用寿命，同时所述霍尔永磁编码器的可靠性较高。
参见图1至图3，在本实用新型实施例中，所述双轮自平衡机器人还包括用于接收智能终端无线信号的蓝牙模块23，所述蓝牙模块23的输出端与所述微控制器201的第六端电连接。所述蓝牙模块23选择BC04蓝牙芯片，所述蓝牙模块23可与手机等职能终端的蓝牙匹配，用户通过手机上装载的遥控软件，可实现对所述双轮自平衡机器人的遥控和辅助调试，从而在验证所述双轮自平衡机器人在保持平衡的同时，还能控制所述双轮自平衡机器人前进、后退、转向等功能。
参见图1和图2，在本实用新型实施例中，所述双轮自平衡机器人还包括第一固定板101和第二固定板102，所述第一固定板101上设有第一通孔(图未示)，所述第二固定板102上设有第二通孔(图未示)，所述第一驱动电机13带有输出轴的一端固定在所述第一固定板101上，且所述第一驱动电机13的输出轴穿过所述第一通孔与所述左轮11连接，所述第二驱动电机14带有输出轴的一端固定在所述第二固定板102上，且所述第二驱动电机14的输出轴穿过所述第二通孔与所述右轮12连接。所述左轮11和所述右轮12对所述底座起承载作用，通过螺钉固定方式将所述第一驱动电机13固定在所述第一固定板101上，以及将所述第二驱动电机14固定在所述第二固定板102上。而所述第一通孔和所述第二通孔的设置使得电机的输出轴能够自由转动地连接在轮子上，所述第一固定板 101和所述第二固定板102可采用焊接的形式固定连接在所述底板的两侧，也可与所述底板一体成型加工而成。
参见图1和图2，在本实用新型实施例中，所述第一通孔和所述第二通孔位于同一条直线上，从而使得所述第一驱动电机13的输出轴和所述第二驱动电机 14的输出轴保持在同一条直线上，以使所述左轮11和所述右轮12的高度相同，且使得所述左轮11和所述右轮12垂直于水平地面。
参见图2，在本实用新型实施例中，所述双轮自平衡机器人还包括第一联轴器16和第二联轴器17，所述第一驱动电机13的输出轴通过所述第一联轴器16 与所述左轮11连接，所述第二驱动电机14的输出轴通过所述第二联轴器17与所述右轮12连接。联轴器又称联轴节。用来将不同机构中的主动轴和从动轴牢固地联接起来一同旋转，并传递运动和扭矩的机械部件。联轴器可兼有补偿两轴之间由于制造安装不精确、工作时的变形或热膨胀等原因所发生的偏移以及缓和冲击、吸振，所述第一联轴器16、所述第二联轴器17能够有效地防止所述左轮 11、所述右轮12发生轴向偏移、角偏移。
参见图1至图3，在本实用新型实施例中，所述双轮自平衡机器人还包括电源模块22，所述电源模块22的第一输出端与所述微控制器201的第五端电连接，所述电源模块22的第二输出端与所述电机驱动芯片202的电源端电连接。所述电源模块22为12V的18650锂电池。
参见图1和图2，在本实用新型实施例中，所述双轮自平衡机器人还包括顶板15和若干个支撑架151，所述顶板15通过若干个所述支撑架151连接在所述底板10上。所述顶部具有保护所述底板10上的所述控制模块20等电子元器件的作用，同时，所述顶板15为平板结构，可用于承载重物。
参见图1至图5b，在本实用新型实施例中，所述双轮自平衡机器人的原理是：
启动所述双轮自平衡机器人后，所述微控制器201进行初始化；初始化包括两部分，第一部分是对所述执行模块24、所述测量模块21、所述蓝牙模块23进行初始化，而第二部分是应用程序的初始化，将所述双轮自平衡机器人控制程序中应用到的变量值进行初始化；第一部分初始化的代码可通过STM32单片机数据库进行移植实现；
在初始化结束后，所述双轮自平衡机器人进行直立稳定检测步骤，并完成对机器人的姿态信息采集，具体的，所述微控制器201读取所述姿态传感器213即 MPU6050芯片的数值，从而判断是否完成姿态信息采集；
当姿态信息采集完成后，启动机器人直立控制、速度控制及转向控制；所述姿态传感器213在所述双轮自平衡机器人运动的同时，实时向所述微控制器201 单片反馈所述双轮自平衡机器人的运动状态，从而所述微控制器201判断所述双轮自平衡机器人是否发生跌倒。具体的，跌倒状态的判断可通过所述姿态传感器 213检测到的倾角信号，判断倾角是否超过预设的稳定范围。当判断所述双轮自平衡机器人跌倒时，则所述微控制器201向所述电机驱动芯片202发送停止指令，从而使得所述左轮11和所述右轮12停止转动，所述双轮自平衡机器人然后重新进行姿态信息采集；
具体的，结合图5a和图5b所示，当所述双轮自平衡机器人不工作时，无论所述底座前倾或者后倾，所述左轮11和所述右轮12均不发生转动，所述底座的前后倾斜摆动与所述左轮11和所述右轮12的转动时相互独立的；当所述双轮自平衡机器人工作时，所述电源模块22为所述微控制器201和所述电机驱动芯片 202提供电源，所述双轮自平衡机器人的状态变化有前进、静止、后退、转向等运动方式，所述姿态传感器213能够对所述底板10的倾斜状况进行实时检测并将得到的检测数据发送给所述微控制器201，所述微控制器201接收到数据后，向所述电机驱动芯片202发送相应的指令，从而对所述左轮11、所述右轮12进行适当的控制，进而抵消在这个维度上的倾斜力矩，便可以保持双轮机器人的平衡；
当所述双轮自平衡机器人发生前倾时，所述微控制器201通过所述电机驱动芯片202控制所述左轮11和所述右轮12向前运动，当所述双轮自平衡机器人发生后仰时，所述微控制器201通过所述姿态传感器213检测到的倾角信号产生相应的力矩，然后通过所述电机驱动芯片202控制所述左轮11和所述右轮12向后运动，从而保持所述双轮自平衡机器人的动态平衡。
综上，本实用新型提供了一种双轮自平衡机器人，包括底板10以及分别设于所述底板10上的控制模块20、测量模块21、执行模块24；所述底板10的一侧设有左轮11，所述底板10的另一侧设有右轮12；所述执行模块24包括用于驱动所述左轮11的第一驱动电机13、及用于驱动所述右轮12的第二驱动电机 14，所述第一驱动电机13固定连接在所述底板10的底部的一侧上，所述第二驱动电机14固定连接在所述底板10的底部的另一侧上；所述测量模块21包括姿态传感器213、用于测量所述左轮11转角和转速的第一磁电编码器211、及用于测量所述右轮12转角和转速的第二磁电编码器212；所述控制模块20包括微控制器201和电机驱动芯片202，所述微控制器201的第一端与所述第一磁电编码器211的输出端电连接，所述微控制器201的第二端与所述第二磁电编码器212 的输出端电连接，所述微控制器201的第三端与所述姿态传感器213的输出端电连接，所述微控制器201的第四端与所述电机驱动芯片202的输入端电连接，所述电机驱动芯片202的第一输出端与所述第一驱动电机13的控制端电连接，所述电机驱动芯片202的第二输出端与所述第二驱动电机14的控制端电连接。通过所述微控制器201作为中央处理器，所述姿态传感器213实时检测所述底板10 的倾斜状态并将检测到的倾斜信号传输到所述微控制器201，所述微控制器201 判断所述底板10的倾斜角度并相应的发出指令到所述电机驱动芯片202，以使所述第一驱动电机13和所述第二驱动电机14产生相应的力矩，从而使得所述左轮 11和所述右轮12朝所述底板10将要倾斜倒下的方向运动一定的距离，以抵消在这个维度上的倾斜力矩，从而保持双轮自平衡机器人的平衡，进而保证所述底板 10的动态平衡；同时，所述微控制器201通过所述第一磁电编码器211实时检测所述左轮11的转角和转速，以及通过所述第二磁电编码器212实时检测所述右轮12的转角和转速，从而向所述电机驱动芯片202发送指令以调节所述左轮11 和所述右轮12的转速，进而维持所述双轮自平衡机器人的直立稳定；所述微控制器201通过向所述电机驱动芯片202发送脉冲，从而通过所述电机驱动芯片202 控制所述左轮11和所述右轮12的转动，以实现所述双轮自平衡机器人前进、后退和转向的功能。这样，相比于现有的双轮自平衡机器人由于采用成本较高的电子元器件、程序设计复杂以及开发耗时长导致整体成本较高，所述双轮自平衡机器人在实现稳定运行的同时，采用所述微控制器201、所述电机驱动芯片202等体积小、电子元器件价格低、可靠性高的硬件，不仅程序易开发，开发耗时少，而且后期修改程序方便，从而能够有效地降低双轮自平衡机器人的成本。
以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。