2024年2月26日发(作者：电脑怎么恢复系统还原)

2021年2月Journal of Green Science and Technology錄色科坆第23卷第4期万向球形自平衡机器人的研究与设计吴元华，廖亦凡(湖南涉外经济学院，湖南长沙410205)摘要：采用建模软件建立了万向球形自平衡机器人的三维模型，在建立的万向球形自平衡机器人动力学及

运动学模型的基础上设计了结构简单、理论成熟的PID与LQR两种控制算法•根据万向球形自平衡机器

人自平衡控制的需求设计了万向球形自平衡机器人相应的控制程序。同时，对硬件电路与软件程序都进

行了调试分析。关键词：万向球形；自平衡机器人；PID;LQR

中图分类号：TP242 文献标识码：A1 万向球形自平衡机器人研究目的及意义近几年，人工智能技术在不断地变革和发展，机器

人作为人工智能领域一个具有代表性的技术，频繁地出

现在人们的视线中。机器人技术属于多学科交叉领域，

同时众多学科交叉让机器人技术成为一个当前炙手可

热的研究方向。移动机器人是集传感、控制、图像处理为一体的综

合型系统，它能够通过自身的传感设备感知外界环境的

变化，同时根据环境状态来主动地进行路径规划和自动

巡航.根据系统预先设定的指令，控制机器人电机转动

来完成相应的操作。因为移动机器人的成本较低，结构

和控制相对简单，功效较低且能够实现的可操作性功能

较多，所以此类型机器人可在安防、消防、物流等众多行

业投人使用，一方面可极大地降低作业成本，另一个方

面可以极大提高工作人员的安全性能。根据机器人的车轮个数，分为单轮滚动机器人和两

轮移动机器人。单轮机器人及多轮机器人在技术发展

上较为成熟，但也存在很多的弊端：不能进行全向移动、

转向不够灵活、造价昂贵。针对现有单、多轮机器人的不足，本课题设计了一

款万向球形自平衡机器人，万向球形自平衡机器人其

优点在于可以实现绝对零半径转向，根据不同的承载要

求可以任意设定万向球的分布密度。同时万向球形自

平衡机器人与地面单点接触，能够凭借其360°全向移动

的特点，进行绝对零度转弯，以及绿色环保等优势，能够

应用到生活中的多种场合。模型设计如图1所示。该机器人每个轴的横向和纵向运动由3个直流电

机控制。机器人的瞬间倾斜度通过陀螺仪进行测量，并

将其与平台的所需方向进行比较后•建立机器人相对于

电机旋转角度的数学关系，从而得出机器人的姿态。比

例积分微分（PID)控制器用于实现所需的平稳运行和收稿日期=2020-11-30基金项目：湖南省大学生创新创业训练计划项目

作者简介：吴元华（1999 —),男.湖南涉外经济学院学生。通讯作者：廖亦凡（1976 —),男，副教授，研究方向为信号与信息处理。文章编号：1674-9944(2021)04-0205-02

机器人的抖动衰减平衡。3直流减速电机 4金属全向轮 5球体

图1自平衡机器人模型2万向球形自平衡机器人的研究内容2. 1万向球形自平衡机器人物理样机的研制通过对万向球形自平衡机器人机械结构及运动特

性的研究，运用Solidwork软件建立万向球形自平衡机

器人的三维模型。同时通过对其硬件系统的研究与分

析，设计万向球形自平衡机器人控制系统硬件电路。最

后，根据设计的三维模型与硬件电路搭建万向球形自平

衡机器人的物理样机。2.2万向球形自平衡机器人系统建模与控制论分析通过运用欧拉拉格朗日方程与雅可比矩阵分别对

万向球形自平衡机器人进行动力学与运动学建模，并将

动力学模型在系统状态零点附近进行线性化处理得到

线性化模型。对线性化模型进行能控性、能观性及稳定性分析[2]。2.3万向球形自平衡机器人自平衡控制算法设计与

研究针对自平衡机器人的控制方面，在建立的万向球形

自平衡机器人动力学及运动学模型的基础上设计结构

简单、理论成熟的PID与LQR两种控制算法。其中

PID控制算法主要针对万向球形自平衡机器人的位置205

吴元华，等：万向球形自平衡机器人的研究与设计进行控制、LQR控制算法主要针对万向球形自平衡机

器人的倾角进行控制。同时运用MATLAB和SIMU-

LINK软件分别对PID与LQR两种控制算法的控制效

果进行仿真与分析。2.4万向球形自平衡机器人程序设计与系统调试根据万向球形自平衡机器人自平衡控制的需求设

计万向球形自平衡机器人相应的控制程序。同时对控

制系统的硬件电路与软件程序都进行调试分析。2.5万向球形自平衡机器人创新点较多的学者在机器人结构和模型设计和研究的过

程中，往往都是以两轮、四轮和履带作为移动载体为主。

但是笔者团队采用的是球体为移动载体。仅与地面单

点接触，该系统为典型的欠驱动系统，运动非常的灵活，

转弯半径近乎为零。将IMU惯性原件安装在靠近机器

人顶部的位置，能够让移动机器人在运动过程中，对机

器人运动姿态获取更加敏感准确，为接下来的机器人姿

态解析提供了准确的数据。为了保证机器人在运动过程中能够更加稳定，在机

械结构的设计过程中，将结构重心调整为相对较低的位

置，以保证机器人在运动过程中不会因为重心偏高而偏

离运动轨迹，同时在硬件部署时，采用对称的方式，一方

面为了稳定，另一方面为了其美观，将原本的三足驱动

改为四足驱动，能够减小其倒立模型的非线性量。独创

性的采用了四元数的改进型卡尔曼滤波算法在移动自

平衡机器人的姿态解析过程中，能够达到较为精准的运

算结果。万向球自平衡机器人体积较小，不仅在大空间

能够自由移动，在小空间仍然能够达到理想的移动效

果，采用蓄电池进行电源供电，绿色环保。同时该系统

驱动功率较低，功效较小。3万向球形自平衡机器人的设计3.1电源部分针对自平衡移动机器人，电源方面需要动力足够，

因为不像普通独轮机器人，只需单电机即可保证正常运

行，而针对自平衡移动机器人，电源方面需要动力足够，

并且能保证主控芯片能让系统运行稳定。由于锂电池

具有较高的存能量密、输出功率大、使用寿命长、体积小

重量轻和可重复使用且绿色环保等特点，故本次选取锂

电池作为供电模块。在电源电路部分，计划采用LM2576 —级稳压电路

将11. 1

V电源稳压至6. 5

V，该芯片内含固定基准稳

压器和频率振荡器，只需极少的外围元件便可构成高效

稳压电路，并且具有完善电流以及热关断保护，实现

11.

IV电压转换至6.5

V。然后再次给次级稳压电路

供电，避免一次性压降过大，导致芯片内部无法承受瞬

间电压，发生芯片损坏的事故。AMS1117 — 3. 3V次级

稳压电路，将LM2578输出稳压至3. 3V单独给主控芯

片供电。ASM1117 — 5. 0和TPS7350作为次级稳压电

路，将LM2576输出且稳压至5

V即可，可以供陀螺仪、

加速度传感器以及电机编码器供电使用。3.2 电机驱动部分电机驱动部分作为移动机器人的主控和结构相互206信息与技术联系的部分，也是最为关键的核心部件之一，通过对电

机转动的控制，可以实现机器人的自由移动，采用编码

器获取电机转动脉冲，也可以实时分析电机转动数据，

对电机转动采取闭环控制。电机驱动电路计划采用经典的由单个MOSFET

组成的全桥驱动电路，一个可以对正极导通实现上拉，

另一个可以对负极导通实现下拉，MOS管采用的是

IR7843,该MOS管在室温下允许持续通过最大电流

161A，门级触发电压最低为4. 5V，能够满足本系统的

电机驱动需求。3.3主控芯片主控制板部分：拟采用意法半导体公司的32位微

处理器STM32F103ZE，因为本芯片基于ARM

Cortex

一M3内核架构，该单片机具有114个引脚，最高主频

可达72MHz，同时芯片自带硬件单精度浮点运算，能满

足对运算速度和精度要求较高的姿态解算过程[3]。其

中，晶振电路对整个系统的运行稳定性是非常重要的，

电路中使用的8MHz无源晶振，无源晶振的外围电路

简单方便价格较为便宜。芯片提供的SPI接口、I2C接

口、USART接口、脉冲捕捉接口、PWM输出接口等能

很方便实现控制器对姿态传感器数据采集、OLED显示

屏、串口调试、速度采集、驱动电机等功能。3.4传感部分传感器的作用就是实时获取系统的状态数据，通过

对数据的深度解析获取运行状态数据，并根据需求，进

行控制指令的生成。本系统计划采用MPU—6050陀

螺仪，该传感器为全球首款整合性6轴加速度传感器，

相较于多组件方案，其免除了组合陀螺仪与加速度传感

器时间轴之差的问题，减少了大量的封装空间。该传感

器开发技术较为成熟，使用方便，只需安装牢固即可。

同时该传感器的测量范围是可控的，包括±250、±500、

± 1000、± 2000 °/s,加速度传感器可测量范围为±2、士

4、±8、±16

g04结语万向球形自平衡机器人是多学科珠联璧合的产物，

对当前机器人领域的研究发展意义巨大。目前，人工智

能技术愈加成熟，人工智能时代势不可挡，经过团队的

共同努力，万向球形自平衡机器人的各项目标功能已全

部实现。未来，不仅可以开发手机客户端的APP，通过

连接云服务器，实现远程操控，还可以逐步推广到其他

应用市场，如物流和消防等领域。参考文献：[1] 肖佳涛，雷泽勇，覃倩倩.移动机器人行走机构[D].衡阳：南华大

学，2018.[2] 刘龙细.单球自平衡移动机器人系统建模与自平衡控制研究[D].

南昌：江西理工大学，2017.[3] 李先瑞.一种回声测深远程校准仪的研制[J].人民长江，2018,49

(7):24~29,